JP6722867B2 - 光検出装置および光検出システム - Google Patents

Description

本願は、光検出装置および光検出システムに関する。

対象物を観察してその情報を取得する装置として、干渉計および位相差顕微鏡が知られている。

干渉計は、光源から対象物にコヒーレンスを有する単色光を照射し、透過または反射した光（信号光）と、同一光源からの光（参照光）とを干渉させて検出する。信号光と参照光との光路差に起因して生じる干渉縞を解析することにより、対象物の表面形状および入射光の波面形状などの情報を取得できる。干渉計は、例えば特許文献１に開示されている。

位相差顕微鏡は、対象物の各部分の屈折率または厚さの違いによって透過光に生じる位相差を、光の明暗に変えて対象物を観察する装置である。位相差顕微鏡は、対象物が透明であっても対象物を透過した光の位相分布を観察できる。位相差顕微鏡は、例えば特許文献２に開示されている。

特開２０１５−１７９６８号公報 特開２０１５−２１９２８０号公報

干渉計は、測定に煩雑な操作が必要であった。一方、位相差顕微鏡は、位相差を定量的に測定することが困難であった。

本開示は、煩雑な操作を行うことなく、定量的に対象物の情報を測定できる光検出技術を提供する。

本開示の一態様に係る光検出装置は、第１受光素子および第２受光素子を有する光検出器と、前記第１受光素子および前記第２受光素子上に配置された基板であって、対象物からの光を第１受光素子の方向に伝搬させる第１光伝搬路と、前記対象物からの光を前記第２受光素子の方向に伝搬させる第２光伝搬路と、を有する基板と、前記第１光伝搬路の一部と前記第２光伝搬路の一部とを結ぶ第３光伝搬路と、を備え、前記第３光伝搬路は、前記基板内に設けられており、前記第１受光素子および前記第２受光素子は、空気中の波長がλの光を検出し、前記基板は、前記第１光伝搬路、前記第２光伝搬路、および前記第３光伝搬路以外の領域に、前記波長λの光を遮断するフォトニック結晶の構造を有している。

上記の包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または記録媒体で実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。

本開示の一態様によれば、煩雑な操作を行うことなく、定量的に対象物の情報を測定することができる。

図１Ａは、本開示の実施形態１の光検出装置２８の構成を模式的に示す第１の図である。 図１Ｂは、本開示の実施形態１の光検出装置２８の構成を模式的に示す第２の図であり、図１Ｂは、図１ＡにおけるＡ−Ａ’線断面図である。 図２Ａは、実施形態１における光検出装置２８において、入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３のパワーＰ１、Ｐ２、および（Ｐ１＋Ｐ２）との関係を示すグラフである。 図２Ｂは、実施形態１における光検出装置２８において、入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３の規格化パワーＰ１／（Ｐ１＋Ｐ２）、Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）、およびパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２）との関係を示すグラフである。 図３Ａは、実施形態１における光検出装置２８を用いた光検出システムの構成例を模式的に示す図である。 図３Ｂは、実施形態１における光検出システムの変形例を示す図である。 図４Ａは、実施形態１の変形例における光検出装置２８ａの構成を示す第１の図である。 図４Ｂは、実施形態１の変形例における光検出装置２８ａの構成を示す第２の図である。 図５は、本開示の実施形態２における光検出装置２８ｂの構成を模式的に示す断面図である。 図６Ａは、実施形態２の光検出装置２８ｂにおいて、入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３、４０のパワーＰ１、Ｐ２、Ｐ３、およびパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）との関係を示すグラフである。 図６Ｂは、実施形態２の光検出装置２８ｂにおいて、入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３、４０の規格化パワーＰ１／（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）、Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）、およびＰ３／（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）、並びにパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）との関係を示すグラフである。 図７Ａは、本開示の実施形態３における光検出装置２８ｃの構成を模式的に示す第１の図である。 図７Ｂは、本開示の実施形態３における光検出装置２８ｃの構成を模式的に示す第２の図である。 図８Ａは、本開示の実施形態４における光検出装置２９の構成を模式的に示す平面図である。 図８Ｂは、図８ＡにおけるＡ−Ａ'線断面図である。 図９Ａは、実施の形態４における光検出装置２９において、距離定数ｄ＝１の場合の入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３のパワーＰ１、Ｐ２、およびパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２）との関係を示すグラフである。 図９Ｂは、実施の形態４における光検出装置２９において、距離定数ｄ＝１．１９の場合の入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３のパワーＰ１、Ｐ２、および（Ｐ１＋Ｐ２）との関係を示すグラフである。 図９Ｃは、実施の形態４における光検出装置２９において、距離定数ｄ＝１．１９の場合の入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３の規格化パワーＰ１／（Ｐ１＋Ｐ２）、Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）、およびパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２）との関係を示すグラフである。 図１０は、実施の形態４における光検出装置２９における距離定数ｄとパワー差との関係を示すグラフである。 図１１Ａは、実施形態４の光検出装置２９の製造工程の一例を示す第１の図である。 図１１Ｂは、実施形態４の光検出装置２９の製造工程の一例を示す第２の図である。 図１２Ａは、実施形態４における光検出装置２９を用いた光検出システムの構成例を模式的に示す図である。 図１２Ｂは、実施形態４における光検出システムの変形例を示す図である。 図１３は、実施形態４の変形例における光検出装置２９ａの構成を示す断面図である。 図１４は、実施形態４の他の変形例における光検出装置２９ｂの構成を示す断面図である。 図１５は、実施形態４のさらに他の変形例における光検出装置２９ｃの構成を示す断面図である。 図１６は、本開示の実施形態５における光検出装置２９ｄの構成を模式的に示す断面図である。 図１７は、本開示の実施形態６における光検出装置２９ｅの構成を模式的に示す断面図である。 図１８は、実施形態６の光検出装置２９ｅにおいて、距離定数ｄ＝１.０５の場合の入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３の規格化パワーＰ１／（Ｐ１＋Ｐ２）、Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）、およびパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２）との関係を示すグラフである。 図１９は、実施形態６の光検出装置２９ｅにおける距離定数ｄとパワー差との関係を示すグラフである。 図２０は、実施形態６の光検出装置２９ｅにおいて、グレーティングの周期Λと好適な波長との関係を示すグラフである。 図２１は、実施形態６の変形例における光検出装置２９ｆの構成を模式的に示す断面図である。 図２２Ａは、本開示の実施形態７の光検出装置２９ｇの構成を模式的に示す平面図である。 図２２Ｂは、図２２ＡにおけるＡ−Ａ'線断面図である。 図２３Ａは、実施形態７の光検出装置２９ｇの製造工程を示す第１の図である。 図２３Ｂは、実施形態７の光検出装置２９ｇの製造工程を示す第２の図である。 図２３Ｃは、実施形態７の光検出装置２９ｇの製造工程を示す第３の図である。 図２４Ａは、実施形態７の変形例における光検出装置２９ｈの構成を模式的に示す断面図である。 図２４Ｂは、実施形態７の他の変形例における光検出装置２９ｉの構成を模式的に示す断面図である。 図２４Ｃは、実施形態７のさらに他の変形例における光検出装置２９ｊの構成を模式的に示す断面図である。 図２５は、本開示の実施形態８の光検出装置２９ｋの構成を模式的に示す平面図である。

（本開示の概要）
本開示は、以下の項目に記載の光検出装置を含む。

［項目１］
第１受光素子および第２受光素子を有する光検出器と、
前記第１受光素子および前記第２受光素子上に配置された基板であって、対象物からの光を第１受光素子の方向に伝搬させる第１光伝搬路と、前記対象物からの光を前記第２受光素子の方向に伝搬させる第２光伝搬路と、を有する基板と、
前記第１光伝搬路の一部と前記第２光伝搬路の一部とを結ぶ第３光伝搬路と、
を備える光検出装置。

［項目２］
前記第３光伝搬路は、前記基板内に設けられている、項目１に記載の光検出装置。

［項目３］
前記第１受光素子および前記第２受光素子は、空気中の波長がλの光を検出し、
前記基板は、前記第１光伝搬路、前記第２光伝搬路、および前記第３光伝搬路以外の領域に、前記波長λの光を遮断するフォトニック結晶の構造を有している、項目２に記載の光検出装置。

［項目４］
前記第１受光素子および前記第２受光素子は、前記光検出器の受光面に沿って第１の方向に並び、
前記基板は、前記受光面に平行で前記第１の方向に垂直な第２の方向に延びる複数の空洞を含み、
前記複数の空洞は、前記第１光伝搬路、前記第２光伝搬路、および前記第３光伝搬路以外の領域に周期的に配列されている、
項目３に記載の光検出装置。

［項目５］
前記第３光伝搬路は、前記第１光伝搬路と前記第２光伝搬路との間において屈曲部を有し、
前記屈曲部は、前記第３光伝搬路と前記第１光伝搬路との合流点、および前記第３光伝搬路と前記第２光伝搬路との合流点よりも、前記光検出器の前記受光面から遠くに位置している、
項目２から４のいずれかに記載の光検出装置。

［項目６］
前記光検出器は、前記第１受光素子と前記第２受光素子との間に、さらに第３受光素子を有し、
前記基板は、前記第３光伝搬路の中間もしくはその途中の部分から前記第３受光素子に向かって光を伝搬させる第４光伝搬路を有する、
項目２から５のいずれかに記載の光検出装置。

［項目７］
前記第１光伝搬路を伝搬した光の少なくとも一部は前記第１受光素子に入射し、
前記第２光伝搬路を伝搬した光の少なくとも一部は前記第２受光素子に入射し、
前記第３光伝搬路および前記第４光伝搬路を伝搬した光の少なくとも一部は前記第３受光素子に入射する、
項目６に記載の光検出装置。

［項目８］
２次元的に配列された複数の検出単位を有し、
前記複数の検出単位の各々は、前記第１光伝搬路、前記第２光伝搬路、前記第３光伝搬路、前記第１受光素子、および前記第２受光素子を含む、
項目１から７のいずれかに記載の光検出装置。

［項目９］
前記基板と前記光検出器との間において、前記基板に接する透光性の第１層と、
前記第１層において前記第１受光素子に対向する透光性の第１光結合素子と、
前記第１層において前記第２受光素子に対向する透光性の第２光結合素子と、
を備え、
前記第１光伝搬路は、前記基板において、対象物から前記第１受光素子に向かう光の経路であり、
前記第２光伝搬路は、前記基板において、対象物から前記第２受光素子に向かう光の経路であり、
前記第３光伝搬路は、前記第１光結合素子および前記第２光結合素子によって前記第１層内に形成される光導波路である、
項目１に記載の光検出装置。

［項目１０］
前記第１受光素子および前記第２受光素子は、第１の方向に並び、
前記第１光結合素子は、前記第１の方向に垂直な第２の方向に溝を有し、前記第１の方向に配列された複数の透光性の凸部を有する第１グレーティングであり、
前記第２光結合素子は、前記第２の方向に溝を有し、前記第１の方向に配列された複数の透光性の凸部を有する第２グレーティングである、
項目９に記載の光検出装置。

［項目１１］
前記第１グレーティング、前記第２グレーティング、および前記第１層は、同一の材料で構成された単一構造体である、項目１０に記載の光検出装置。

［項目１２］
前記第１受光素子および前記第２受光素子は、空気中の波長がλの光を検出し、
前記第１グレーティングおよび前記第２グレーティングの各々は、前記波長λよりも小さい周期Λを有する部分を含む、項目１０または１１に記載の光検出装置。

［項目１３］
前記第１層の屈折率をｎ₁、前記基板の屈折率をｎ₂とすると、前記周期Λは、
λ／ｎ₁＜Λ＜λ／ｎ₂
を満たす、項目１２に記載の光検出装置。

［項目１４］
前記第１グレーティングおよび前記第２グレーティングの各々は、互いに異なる周期を有する複数の部分を含む、項目１２または１３に記載の光検出装置。

［項目１５］
前記第１グレーティングにおいて前記第２グレーティングに最も近い凸部の頂点もしくは中心と、前記第２グレーティングにおいて前記第１グレーティングに最も近い凸部の頂点もしくは中心との距離は、前記周期Λよりも長い、項目１４に記載の光検出装置。

［項目１６］
前記光検出器は、前記第１グレーティングと前記第２グレーティングとの間のスペース領域に対向する第３受光素子をさらに有する、項目１５に記載の光検出装置。

［項目１７］
前記第１グレーティングおよび前記第２グレーティングにおける各凸部の、前記第２の方向に垂直な断面の形状は、三角形状、台形状、および正弦波形状のいずれかであり、
０以上の整数をｉとして、
１．０８＋ｉ≦ｄ≦１．３１＋ｉ、または
１．５８＋ｉ≦ｄ≦１．８３＋ｉ
を満たすｄに関して、
前記第１グレーティングにおいて前記第２グレーティングに最も近い凸部の頂点もしくは中心と、前記第２グレーティングにおいて前記第１グレーティングに最も近い凸部の頂点もしくは中心との距離は、ｄΛである、
項目１６に記載の光検出装置。

［項目１８］
前記第１グレーティングおよび前記第２グレーティングにおける各凸部の、前記第２の方向に垂直な断面の形状は、矩形状、角の丸い矩形状、および半円形状のいずれかであり、
０以上の整数をｉとして、
１＜ｄ≦１．２２、または
１．４６＋ｉ≦ｄ≦２．２２＋ｉ
を満たすｄに関して、
前記第１グレーティングにおいて前記第２グレーティングに最も近い凸部の頂点もしくは中心と、前記第２グレーティングにおいて前記第１グレーティングに最も近い凸部の頂点もしくは中心との距離は、ｄΛである、
項目１６に記載の光検出装置。

［項目１９］
対象物と、前記第１光結合素子および前記第２光結合素子との間に配置され、ＴＥ偏光成分よりもＴＭ偏光成分を多く含む光を前記第１光結合素子および前記第２光結合素子に入射させる偏光素子をさらに備える、項目９から１８のいずれかに記載の光検出装置。

［項目２０］
２次元的に配列された複数の検出単位を有し、
前記複数の検出単位の各々は、前記第１層の一部、前記基板の一部、前記第１光結合素子、前記第２光結合素子、前記第１受光素子、および前記第２受光素子を含む、
項目９から１９のいずれかに記載の光検出装置。

［項目２１］
前記第１層における前記複数の検出単位の間の領域に溝を有する、項目２０に記載の光検出装置。

［項目２２］
前記第１層における前記複数の検出単位の間の領域上に金属膜を有する、項目２０に記載の光検出装置。

［項目２３］
前記第１層における前記複数の検出単位の間の領域上に、金属膜で覆われた他の光結合素子を有する、項目２０に記載の光検出装置。

［項目２４］
前記複数の検出単位は、前記第１受光素子および前記第２受光素子が並ぶ第１の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向の少なくとも一方の方向に配列されている、項目８または２０から２３のいずれかに記載の光検出装置。

［項目２５］
前記複数の検出単位は、千鳥状に配置されている、項目８または２０から２３のいずれかに記載の光検出装置。

［項目２６］
前記複数の検出単位は、
前記第１受光素子および前記第２受光素子が第１の方向に並ぶ少なくとも１つの第１検出単位と、
前記第１受光素子および前記第２受光素子が前記第１の方向に垂直な第２の方向に並ぶ少なくとも１つの第２検出単位と、
を含む、項目８または２０から２５のいずれかに記載の光検出装置。

［項目２７］
第１の方向に並ぶ第１受光素子および第２受光素子を有する光検出器と、
前記第１受光素子および前記第２受光素子上に配置された透光性の基板と、
前記基板と前記光検出器との間において、前記基板に接し、前記基板よりも高い屈折率を有する透光性の第１層と、
前記第１層において前記第１受光素子に対向する第１グレーティングであって、前記第１の方向に垂直な第２の方向に溝を有し、前記第１の方向に配列された複数の透光性の凸部を有する第１グレーティングと、
前記第１層において前記第２受光素子に対向する第２グレーティングであって、前記第２の方向に溝を有し、前記第１の方向に配列された複数の透光性の凸部を有する第２グレーティングと、
を備える光検出装置。

［項目２８］
項目１から２７のいずれかに記載の光検出装置と、
前記第１受光素子から出力される第１電気信号、および前記第２受光素子から出力される第２電気信号に基づいて、対象物の構造に関する情報を生成して出力する演算回路と、
を備える光検出システム。

以下、図面を参照しながら本開示の実施形態を説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示している。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定するものではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能または類似する機能を有する構成要素には共通の参照符号を付し、重複する説明を省略することがある。

（実施形態１）
［光検出装置］
まず、本開示の実施形態１の光検出装置を説明する。

図１Ａおよび図１Ｂは、本開示の実施形態１の光検出装置２８の構成を模式的に示す図である。図１Ａは、図１ＢにおけるＢ−Ｂ’線断面を示し、図１Ｂは、図１ＡにおけるＡ−Ａ’線断面を示している。

以下の説明では、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向を示すＸＹＺ座標系を用いる。本実施形態では、光検出装置２８における光検出器５の受光面に平行な面をＸＹ面とし、ＸＹ面に垂直な方向をＺ方向とする。図示されている座標系は、説明の便宜のために設定されており、本開示の実施形態における装置が実際に使用される際の配置および向きを制限するものではない。また、図示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。

本実施形態の光検出装置２８は、光検出器５と、光検出器５上に配置された透光性の基板４とを備えている。光検出器５は、第１の方向（本実施形態ではＸ方向）に並んだ第１受光素子６および第２受光素子７を有する。基板４は、その内部に、Ｚ方向に延びる第１光伝搬路３５および第２光伝搬路３６を有する。第１光伝搬路３５は、基板４の上面側の光入射部４４から下面側の光出射部４１まで、対象物からの入射光８を伝搬させる経路である。第１光伝搬路３５の光出射部４１は、第１受光素子６に対向している。第２光伝搬路３６は、基板４の上面側の光入射部４５から下面側の光出射部４２まで、対象物からの入射光９を伝搬させる経路である。第２光伝搬路３６の光出射部４２は、第２受光素子７に対向している。光検出装置２８は、第１光伝搬路３５の一部分と第２光伝搬路３６の一部分との間を結ぶ第３光伝搬路３７をさらに備えている。本実施形態では、第３光伝搬路３７は、基板４の内部に設けられている。後述するように、他の実施形態では、基板４の外部に第３伝搬路が設けられ得る。第３光伝搬路３７は、第１光伝搬路３５を伝搬する光の一部を第２光伝搬路３６に向けて伝搬させ、第２光伝搬路３６を伝搬する光の一部を第１光伝搬路３５に向けて伝搬させる。これにより、第３光伝搬路３７内で光の干渉が生じる。

なお、図１Ｂにおいては、光検出器５からの電気信号を出力する配線の図示は省略されている。図１Ｂは、基板４と光検出器５とが離れた構成を示しているが、例えば樹脂等の接着剤を用いて、基板４と光検出器５とを一体化しても良い。そのような集積構造にすることにより、振動等に強くなり、耐環境性が向上する。

対象物から第１入射光８が第１光伝搬路３５の入射部４４に入射すると、第１伝搬光３０Ａとして第１光伝搬路３５内を伝搬する。第１伝搬光３０Ａは、第１光伝搬路３５と第３光伝搬路３７との合流点を超えると、第１伝搬光３０Ｂとして出射部４１に向かう。第１伝搬光３０Ｂは、出射部４１を通過すると、第１透過光１２として、第１受光素子６に入射する。このように、第１入射光８の少なくとも一部は第１受光素子６に入射する。

同様に、第２入射光９が第２光伝搬路３６の入射部４５に入射すると、第２伝搬光３１Ａとして第２光伝搬路３６内を伝搬する。第２伝搬光３１Ａは、第２光伝搬路３６と第３光伝搬路３７との合流点を超えると、第２伝搬光３１Ｂとして出射部４２に向かう。第２伝搬光３１Ｂは、出射部４２を通過すると、第２透過光１３として、第２受光素子７に入射する。このように、第２入射光９の少なくとも一部は第２受光素子７に入射する。

第１受光素子６および第２受光素子７は、例えばフォトダイオードを含み、受光量に応じた電気信号（光電変換信号）を出力する。第１受光素子６は、第１透過光１２を受け、受光量に応じた第１電気信号を出力する。第２受光素子７は、第２透過光１３を受け、受光量に応じた第２電気信号を出力する。これらの電気信号は、不図示の演算回路によって処理され、第１入射光８と第２入射光９との間の位相差を示す情報が生成される。演算回路は、さらに、この位相差情報に基づいて、対象物の構造（例えば表面構造または屈折率分布等）に関する情報を生成して出力することができる。

本実施形態では、第１受光素子６および第２受光素子７は、空気中の波長がλの光を検出する。基板４は、第１光伝搬路３５、第２光伝搬路３６、および第３光伝搬路３７以外の領域に、波長λの光を遮断するフォトニック結晶の構造を有している。

本実施形態では、透光性の基板４の内部に、光検出器５の受光面５ａに平行で第１の方向（本実施形態ではＸ方向）に垂直な第２の方向（本実施形態ではＹ方向）に延びる複数の空洞３４を有している。複数の空洞３４は、第１光伝搬路３５、第２光伝搬路３６、および第３光伝搬路３７以外の領域に周期的に配列されている。複数の空洞３４が周期的に密に配列されている領域では、光検出装置２８において使用される波長λを含む特定の波長域の光が伝搬できず、空洞３４が設けられていない領域でのみ当該波長域の光が伝搬できる。このような構造によって形成される光伝搬路３５、３６、３７は、公知のフォトニック結晶による光導波路であるといえる。従って、第１伝搬光３０Ａ、３０Ｂ、第２伝搬光３１Ａ、３１Ｂ、および第３伝搬光３２Ａ、３２Ｂは、光導波路を伝搬する導波光であるといえる。

図１Ｂに示すように、本実施形態における複数の空洞３４は、Ｙ方向から見て六方格子状に配列されている。複数の空洞３４の配列はこれに限らず、例えば正方格子状に配列されていてもよい。本実施形態では各空洞３４は円柱状であるが、例えば角柱形状などの他のロッド形状を有していてもよい。また、本実施形態では各空洞３４の内部は空気であるが、空気以外の誘電体が充填された空洞を設けてもよい。各空洞３４の内部は、基板４とは異なる屈折率の誘電体で満たされていればよい。屈折率が空間的に周期的に変化する構造であれば、フォトニック結晶として機能する。

各空洞３４の直径は、入射光の波長に依存するが、典型的にはサブミクロン（１μｍ未満）からミクロン（μｍ）オーダである。光伝搬路３５、３６、３７のそれぞれの幅も、典型的にはサブミクロンからミクロンオーダである。なお、以下の説明では、第１伝搬光３０Ａ、３０Ｂなどを区別せずに表現するときには、単に「第１伝搬光３０」などと表記する。他の参照符号についても同様である。

図１Ａおよび図１Ｂでは、３つの光伝搬路３５、３６、３７を分かりやすくするために、破線でそれらの領域を示しているが、現実には破線の箇所に境界があるわけでは無い。例えば、図１Ａでは、光伝搬路３５、３６のそれぞれを円柱状の領域として表現しているが、実際にはそのような形状を有するわけではない。図１Ａに示す基板４において、光伝搬路３５、３６とＸ座標が共通する平板状の領域には、空洞３４が存在しないため、光が伝搬できる。本実施形態では、図１Ａ、１Ｂにおいて破線で示されている円柱状の領域を、他の領域とは区別して光伝搬路３５、３６であると考える。

上記のように、第１光伝搬路３５と第２光伝搬路３６とがＺ方向に延びる直線状の構造になるように、その周囲に複数の空洞３４が形成されている。また、第３光伝搬路３７が第１光伝搬路３５の中間の部分と第２光伝搬路３６の中間の部分とを結ぶ（または横断する）ように、その周囲に複数の空洞３４が形成されている。本実施形態では、第３光伝搬路３７は、第１光伝搬路３５と第２光伝搬路３６との間において屈曲部３７ａを有している。屈曲部３７ａは、第３光伝搬路３７と第１光伝搬路３５との合流点、および第３光伝搬路３７と第２光伝搬路３６との合流点よりも、光検出器５の受光面５ａから遠くに位置している。言い換えれば、第３光伝搬路３７の形状が−Ｚ方向に凸の形状になるように複数の空洞３４が形成されている。したがって、第１光伝搬路３５のうち伝搬光３０Ａが伝搬する部分と第３光伝搬路３７とは鋭角に交差し、第２光伝搬路３５のうち伝搬光３１Ａが伝搬する部分と第３光伝搬路３７とは鋭角に交差する。このような構造により、第１光伝搬路３５と第３光伝搬路３７との結合領域、および第２光伝搬路３６と第３光伝搬路３７との結合領域の近傍で散乱損失が低減し、光利用効率が高くなるという効果が得られることが分かった。

本発明者らは、レーザ光等のコヒーレンスを有する光を対象物に照射し、対象物からの透過光または反射光を、本実施形態の光検出装置２８を用いて検出することにより、対象物の構造（例えば、厚さまたは内部の屈折率の分布等）を定量的に測定できることを見出した。本発明者らは、対象物からの光のうち、隣接する２つの光線をそれぞれ入射光８、９としたとき、第３光伝搬路３７において、進行方向が逆向きの第３伝搬光３２Ａ、３２Ｂが励起されて互いに干渉し、その干渉の度合いに応じて、第１伝搬光３０Ｂおよび第２伝搬光３１Ｂの光量（パワー）が変化することを発見した。第１伝搬光３０Ｂおよび第２伝搬光３１Ｂのパワーの変化に伴い、第１透過光１２および第２透過光１３のパワーが変化する。すなわち、第１受光素子６および第２受光素子７を用いて透過光１２、１３の光量を検出することにより、入射光８、９の間のコヒーレンス差（または位相差）を検出することが可能である。

対象物の構造（厚さの空間分布または内部の屈折率の空間分布等）に依存して、透過光または反射光が有する位相情報は変化する。このため、入射光８、９の間のコヒーレンス差（または位相差）を検出することにより、対象物の厚さの変化または屈折率分布等を定量的に測定することが可能である。

図２Ａは、光検出装置２８において、入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３のパワーＰ１、Ｐ２、および（Ｐ１＋Ｐ２）との関係を示すグラフである。図２Ｂは、光検出装置２８において、入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３の規格化パワーＰ１／（Ｐ１＋Ｐ２）、Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）、およびパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２）との関係を示すグラフである。図２Ａおよび図２Ｂは、電界方向がＸ方向である直線偏光の入射光８、９が入射するものとして、ＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method）による電磁界解析を行った結果の例を示している。なお、図２Ａおよび図２Ｂのグラフにおいては、光伝搬路３５、３６の入射部４４、４５では入射損失が無く（すなわち、入射光８、９が伝搬光３０Ａ、３１Ａにそれぞれ１００％変換される）、出射部４１、４２では出射損失が無い（すなわち、伝搬光３０Ｂ、３１Ｂが透過光１２、１３にそれぞれ１００％変換される）と仮定した値を示している。

本解析では、入射光８、９は、同じ波長λおよび同じパワー（規格化して光パワー１とする。）を有するコヒーレンスが高いレーザ光であるものとした。第１の入射光８の位相を基準として、第２の入射光９の位相との差を位相差φ［度］としている。図２Ａに実線および長い破線でそれぞれ示すように、第１透過光１２のパワーＰ１および第２透過光１３のパワーＰ２は、入射光８、９の間の位相差φに応じて変化する。Ｐ１はφ＝−１５０°の近傍で最大値をとり、φ＝３０°の近傍で最小値をとる。Ｐ２はφ＝１５０°の近傍で最大値をとり、φ＝−３０°の近傍で最小値をとる。従って、これらの曲線に基づいて、パワーＰ１、Ｐ２の大きさから、φを−１８０°〜１８０°の範囲内で一意的に定量化することができることが分かる。すなわち、パワーＰ１、Ｐ２を、第１受光素子６および第２受光素子７を用いて検出することにより、入射光８、９の間の位相差φを一意的に検出できる。

なお、｜φ｜が小さい領域、例えば−９０°＜φ＜９０°では、図２Ａにおいて短い破線で示すように、光検出器５で検出される透過光１２、１３のパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２）が低くなっている。これは、光伝搬路３５、３６のそれぞれの入射部４４、４５から−Ｚ方向に出射する反射光の成分が多くなることに起因していることが分かった。

図２Ｂに示すように、Ｐ１およびＰ２を（Ｐ１＋Ｐ２）で除した値Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）およびＰ２／（Ｐ１＋Ｐ２）を、規格化パワーとして、Ｐ１およびＰ２の代わりに用いてもよい。この場合、（Ｐ１＋Ｐ２）が変化しても、φ＝０、±１８０°において、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）＝Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）＝０．５となる。このため、測定値を定量化する上で都合が良い。

図２Ａおよび図２Ｂは、電界方向がＸ方向である直線偏光の入射光８、９を用いて、第１光伝搬路３５および第２光伝搬路３６にＴＥモ−ドの導波光を励振した場合の結果を示している。本実施形態では、光伝搬路３５、３６、３７として、フォトニック結晶の光導波路を用いているため、偏光依存性が生じる。無偏光の入射光を用いるよりも、位相差を変化させたときの｜Ｐ１−Ｐ２｜の最大値が大きくなる偏光（直線偏光または楕円偏光）を用いる方が、ＳＮ比を向上できる。

［光検出システム］
本実施形態における光検出装置２８は、光源および演算回路と組み合わせることによって対象物の構造（例えば表面構造または屈折率分布等）の情報を得ることができる。以下、そのような光検出システムの例を説明する。

図３Ａは、本実施形態における光検出装置２８を用いた光検出システムの構成例を模式的に示す図である。この光検出システムは、空気中での波長がλの光を出射する光源２５と、第１受光素子６から出力される第１電気信号、および第２受光素子７から出力される第２電気信号に基づいて、対象物の構造に関する情報（電気信号１８）を生成して出力する演算回路２０とを備えている。第１受光素子６および第２受光素子７は、光源２５から出射され、対象物２１から到達した波長λの光を検出する。この光検出システムは、対象物２１からの透過光を検出するが、反射光を検出するように構成してもよい。対象物２１は、特に限定されないが、例えば生体組織や位相段差を備えた書類の偽造防止マークであり得る。

本実施形態における演算回路２０は、例えばＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などの集積回路であり得る。演算回路２０は、例えばメモリに格納されたコンピュータプログラムを実行することにより、後述する演算を行い、対象物２１の構造に関する情報を生成する。

光検出システムは、光源２５から、レーザ光等のコヒーレンスを有する単色光である出射光２６を、対象物２１に照射し、対象物２１を透過した光（隣接する第１入射光８および第２入射光９を含む）を、光検出装置２９によって検出する。図３Ａに示されている例では、第１入射光８は、対象物２１における相対的に薄い箇所を透過した光であり、第２入射光９は、対象物２１における相対的に厚い箇所を透過した光である。両者の厚さの差をＳとし、対象物２１の屈折率をｎ₀とすると、第１入射光８と第２入射光９との間の位相差φは、以下の式（１）で表される。
φ＝２π（ｎ_o−１）Ｓ／λ （１）
すなわち、第２入射光９の位相は、第１入射光８の位相よりも、２π（ｎ_o−１）Ｓ／λだけ遅れる。

第１受光素子６は、第１透過光１２のパワーＰ１に比例した信号値をもつ第１電気信号１５を出力する。第２受光素子７は、第２透過光１３のパワーＰ２に比例した信号値をもつ第２電気信号１６を出力する。演算回路２０は、電気信号１５、１６を受け、入射光８、９のパワーＰ１、Ｐ２と、位相差φとを求める。位相差φは、図２Ａ、２Ｂを参照して説明した方法で求めることができる。演算回路２０は、位相差φを示す情報を、対象物２１の構造に関する情報（電気信号１８）として出力する。その位相差φの情報から、式（１）より、厚さの変化量（段差）Ｓの値を求めることができる。演算回路２０は、位相差φに基づいてＳの値を計算し、その情報を電気信号１８に含めて出力しても良い。

光源２５から出射される光２６のパワーは既知であるので、入射光８、９のパワーの値から、対象物２１の透過率または反射率を求めることもできる。演算回路２０は、そのようにして求めた対象物２１の透過率または反射率を示す信号を出力しても良い。このように、本明細書における「対象物の構造に関する情報」には、第１入射光８と第２入射光９との間の位相差、対象物の厚さの空間的な変化量、および対象物の透過率または反射率の少なくとも１つを示す情報が含まれ得る。

光検出システムは、例えばレーザ光源のようなコヒーレンスを有する光源２５を備えていてもよいし、光源２５は外部の要素であってもよい。光源２５は、光検出装置２９に内蔵されていてもよい。光検出システムは、図３Ａに示す構成要素以外の要素を備えていてもよい。例えば、光検出システムは、対象物２１と基板４との間に、複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを備えていてもよい。そのようなマイクロレンズアレイは、対象物２１からの入射光８、９を、入射部４４、４５にそれぞれ集光する。そのような構成により、光伝搬路３５、３６への光結合効率が向上する。

光検出システムは、基板４と対象物２１との間に、使用する特定の波長域の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを備えていてもよい。そのようなバンドパスフィルタは、受光素子６、７の前面に設けられていてもよい。

図３Ｂは、本実施形態における光検出システムの変形例を示す図である。図３Ｂに示すように、光検出装置２８は、対象物２１と、基板４との間に、入射光の特定の偏光成分を多く透過させる偏光素子５０を備えていてもよい。偏光素子５０は、例えば直線偏光子または楕円偏光子である。これにより、例えばＴＥ偏光成分およびＴＭ偏光成分のうち、｜Ｐ１−Ｐ２｜の最大値が大きくなる偏光成分を多く含む光を基板４に入射させることができる。その結果、検出感度を高めることができる。

［光検出装置の変形例］
次に、本実施形態における光検出装置の変形例を説明する。

図４Ａおよび図４Ｂは、本実施形態の変形例における光検出装置２８ａの構成を示す図である。図４Ａは図４ＢにおけるＢ−Ｂ’線断面を示し、図４Ｂは図４ＡにおけるＡ−Ａ’線断面を示している。

この変形例における光検出装置２８ａは、Ｙ方向に延びる複数の円柱状の空洞３４を、Ｙ方向から見て正方格子状に周期的に配列した構造を有している。本変形例における第３光伝搬路３７’は、Ｘ方向に直線的に延び、第１光伝搬路３５の中間または途中の部分と第２光伝搬路３６の中間または途中の部分とを繋いでいる。このような構成であっても、前述の光検出装置２８と同様、煩雑な操作を行うことなく、対象物の情報を定量的に測定できる。

（実施形態２）
次に、本開示の実施形態２の光検出装置を説明する。

図５は、本実施形態における光検出装置２８ｂの構成を模式的に示す断面図である。以下、本実施形態の光検出装置２８ｂが実施形態１の光検出装置２８と異なる点を中心に説明する。本実施形態では、光検出器５’が、第１受光素子６と第２受光素子７との間に第３受光素子３９を有している。さらに、基板４が、第３光伝搬路３７の中間もしくはその途中の部分から第３受光素子３９に向かう方向に延びる第４光伝搬路３８を有している。第４光伝搬路３８の出射部４３は、第３受光素子３９に対向している。

第１光伝搬路３５を透過した第１入射光８の少なくとも一部は第１透過光１２として第１受光素子６に入射する。第２光伝搬路３６を伝搬した第２入射光９の少なくとも一部は第２透過光１３として第２受光素子７に入射する。第３光伝搬路３７および第４光伝搬路３８を伝搬した第１入射光８および第２入射光９の少なくとも一部は、第３透過光４０として第３受光素子３９に入射する。

本実施形態においても、レーザ光等のコヒーレンスを有する光が対象物に照射され、対象物からの透過光または反射光（隣接する入射光８、９を含む）が基板４に入射する。その際、第３光伝搬路３７において、進行方向が逆向きの第３伝搬光３２Ａ、３２Ｂが励起され、それらの間で干渉が生じる。本発明者らは、第３伝搬光３２Ａ、３２Ｂの干渉の度合いに応じて、伝搬光３０Ｂ、３１Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ、３３の光量（パワー）が変化し、その結果、透過光１２、１３、４０のそれぞれのパワーも変化することを発見した。よって、第１受光素子６、第２受光素子７、および第３受光素子３９によって透過光１２、１３、４０のパワーを検出することにより、入射光８、９の間のコヒーレンス差（または位相差）を検出することができる。

図６Ａは、本実施形態の光検出装置２８ｂにおいて、入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３、４０のパワーＰ１、Ｐ２、Ｐ３、およびパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）との関係を示すグラフである。図６Ｂは、光検出装置２８ｂにおいて、入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３、４０の規格化パワーＰ１／（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）、Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）、およびＰ３／（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）、並びにパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）との関係を示すグラフである。図６Ａ、６Ｂも、図２Ａ、２Ｂと同様、電界方向がＸ方向である直線偏光について、ＦＤＴＤ法による電磁界解析を行った結果の例を示している。入射光８、９は、同じ波長λおよび同じパワー（規格化して光パワー１とする）を有するコヒーレンスが高いレーザ光であるものとした。図６Ａに実線、長い破線、および一点鎖線でそれぞれ示すように、第１透過光１２のパワーＰ１、第２透過光１３のパワーＰ２、および第３透過光４０のパワーＰ３は、入射光８、９の間の位相差φに応じて変化する。Ｐ１は、φ＝−１７０°の近傍で最大値をとり、φ＝１０°の近傍で最小値をとる。Ｐ２は、φ＝１７０°の近傍で最大値をとり、φ＝−１０°の近傍で最小値をとる。Ｐ３は、φ＝０°の近傍で最大値をとり、φ＝±１８０°の近傍で最小値をとる。従って、これらの曲線に基づいて、パワーＰ１、Ｐ２、Ｐ３の大きさから、φを−１８０°〜１８０°の範囲内で一意的に定量化することができる。すなわち、パワーＰ１、Ｐ２、Ｐ３を、第１受光素子６、第２受光素子７、および第３受光素子３９を用いて検出することにより、入射光８、９の間の位相差φを一意的に検出できる。

図６Ｂに示すように、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）で除した値Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）、Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）、Ｐ３／（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）を、規格化パワーとして、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の代わりに用いてもよい。（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）が変化しても、φ＝±１８０°において、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）＝Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）＝０．５となるため、測定値を定量化する上で都合が良い。

本実施形態の光検出装置２８ｂによれば、実施形態１の光検出装置２８に比べて、光検出器５’が検出できるパワーの合計値（Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３）が、｜φ｜が小さい領域（例えば、−９０°＜φ＜９０°）において、大幅に改善される（図６Ａおよび図６Ｂにおける短い破線を参照）。すなわち、本実施形態によれば、実施形態１よりも光利用効率が向上するという効果がある。実施形態１の光検出装置２８では、|φ|が小さい場合には、光伝搬路３５、３６の入射部４４、４５から−Ｚ方向に出射される反射光成分が多く生じる。これに対し、本実施形態の光検出装置２８ｂでは、第４光伝搬路３８を設けることにより、これを伝搬する第４伝搬光３３が励起され、その分だけ入射部４４、４５から出射される反射光成分が低減したと考えられる。

（実施形態３）
次に、本開示の実施形態３における光検出装置を説明する。

図７Ａおよび図７Ｂは、本実施形態の光検出装置２８ｃの構成を模式的に示す図である。図７Ａは、図７ＢにおけるＢ−Ｂ’線断面を示している。図７Ｂは、図７ＡにおけるＡ−Ａ’線断面を示している。以下の説明では、図中に示される検出単位１４Ａａ、１４Ａｂ、１４Ｂａ、１４Ｂｂなどをまとめて「検出単位１４」などと表記する。他の参照符号についても同様である。

本実施形態の光検出装置２８ｃが実施形態１の光検出装置２８と異なる点は、光検出装置２８ｃが、複数の検出単位１４を有していることにある。複数の検出単位１４の各々は、実施形態１における光検出装置２８と同様の構成を有している。すなわち、各検出単位１４は、第１光伝搬路３５、第２光伝搬路３６、第３光伝搬路３７、第１受光素子６、および第２受光素子７を有している。基板４は、複数の検出単位１４で共通であり、各検出単位１４における受光素子６、７に跨って配置されている。本実施形態における光検出器はイメージセンサ１７である。複数の検出単位１４は、Ｘ方向およびＹ方向に２次元的に配列されている。図７Ａには、４つの検出単位１４Ａａ、１４Ａｂ、１４Ｂａ、１４Ｂｂが例示されているが、検出単位１４の数は５つ以上または３つ以下でもよい。なお、図７Ｂにおいて、イメージセンサ１７からの電気信号を出力する配線の図示は省略されている。

本実施形態における光検出装置２８ｃは、対象物からの透過光または反射光のうち、隣接する入射光８、９を１つの入射単位として、それぞれの検出単位１４に入射して検出する。これにより、対象物の２次元情報を定量的に測定することができる。より具体的には、実施形態１において説明した方法で、対象物の表面の段差、厚さの空間的な変化、または屈折率分布などを検出単位１４ごとに測定することができる。これにより、対象物の構造に関する２次元情報を取得できる。

図７Ａに示す構成では、複数の検出単位１４がＸ方向およびＹ方向の各々に沿って２次元的に配列されている。本明細書では、このような配列を、ストライプ状の配列と称することがある。複数の検出単位１４は、これとは異なる態様で配列されていてもよい。例えば、複数の検出単位１４は千鳥状（staggered）に配列されていてもよい。本明細書において「千鳥状の配列」とは、ある行の検出単位１４のＸ方向の位置と、隣接する他の行の検出単位１４のＸ方向の位置とが、半周期ずれた配列、または、ある列の検出単位１４のＹ方向の位置と、隣接する他の列の検出単位１４のＹ方向の位置とが、半周期ずれている配列を意味する。このような配列により、検出の分解能を実質的に向上させることができる。

複数の検出単位１４は、一方向（例えばＸ方向）の情報を検出する第１の検出単位と、それに直交する方向（例えばＹ方向）の情報を検出する第２の検出単位とを含んでいても良い。図７Ａ、７Ｂに示す各検出単位１４では、第１受光素子６および第２受光素子７がＸ方向に並んでいるため、Ｘ方向についての情報（例えば、対象物の厚さまたは屈折率の空間分布）を検出できる。これらに加えて、第１受光素子６および第２受光素子７がＹ方向に並ぶ検出単位１４を設けることにより、Ｙ方向についての情報も検出できる。これにより、対象物の定量測定の精度を向上させることができる。

（実施形態４）
次に、本開示の実施形態４における光検出装置を説明する。

図８Ａは、本実施形態における光検出装置２９の構成を模式的に示す平面図である。図８Ａは、光検出装置２９を光が入射する側から見たときの構造を示している。図８Ｂは、図８ＡにおけるＡ−Ａ’線断面図である。

本実施形態における光検出装置２９は、基板４と光検出器５との間に、透光性の第１層３と、第１層３の表面において第１受光素子６に対向する透光性の第１光結合素子１と、第１層３の表面において第２受光素子７に対向する透光性の第２光結合素子２とを備えている。第１層３は、基板４よりも高い屈折率を有する。第１光結合素子１は、入射光８の一部を第１層３内の導波路に結合させる透光性の部材である。第２光結合素子２は、入射光９の一部を第１層３内の導波路に結合させる透光性の部材である。本明細書において、「透光性」とは、入射した光の少なくとも一部を透過させる性質を有することを意味する。

光結合素子１、２は、第１層３の内部に光導波路を形成する。本実施形態では、第１光伝搬路３５は、基板４において第１入射光８が伝搬する領域である。第１光伝搬路３５の出射部４１は、第１層３を挟んで第１光結合素子１に対向する。第２光伝搬路３６は、基板４において第２入射光９が伝搬する領域である。第２光伝搬路３６の出射部４２は、第１層３を挟んで第２光結合素子２に対向する。第３光伝搬路３７は、光結合素子１、２によって第１層３の内部に形成される光導波路である。

実施形態１においては、基板４における複数の空洞３４によって光伝搬路３５、３６、３７が形成される。これに対して、本実施形態においては、透光性を有する略均質な媒質である基板４および第１層３と、第１層３の表面に設けられた光結合素子１、２とを用いて、光伝搬路３５、３６、３７が形成される。第１入射光８および第２入射光９が、基板４の上面（入射部４４、４５）に入射すると、それぞれ、第１伝搬光３０および第２伝搬光３１として伝搬する。本実施形態では、第１伝搬光３０および第２伝搬光３１が基板４内を伝搬する際の光路を、仮想的に第１光伝搬路３５および第２光伝搬路３６であると考える。第３光伝搬路３７は、第１光伝搬路３５の末端と第２光伝搬路３６の末端とを結ぶ。図８Ｂには、わかり易くするために、第１光伝搬路３５、第２光伝搬路３６、第３光伝搬路３７の領域を破線で示しているが、明確な境界があるわけでは無い。

第１光結合素子１は、入射光８の一部を、第１層３内において少なくとも第１の方向（Ｘ方向）、すなわち、第２光結合素子２に向かう方向に伝搬させる（導波光１０）。第２光結合素子２は、入射光９の一部を、第１層内において少なくとも第１の方向とは反対の方向（−Ｘ方向）、すなわち、第１光結合素子１に向かう方向に伝搬させる（導波光１１）。これにより、第１層３内の第３光伝搬路３７において導波光１０、１１間の干渉が生じる。第１光伝搬路３５、第１層３、および第１光結合素子１を透過した第１入射光８の少なくとも一部は、第１透過光１２として第１受光素子６に入射する。第２光伝搬路３６、第１層３、および第２光結合素子２を透過した第２入射光９の少なくとも一部は、第２透過光１３として第２受光素子７に入射する。

第１光伝搬路３５および第２光伝搬路３６は、使用される波長程度のサイズの光導波路にする必要は無い。第１光伝搬路３５および第２光伝搬路３６は、基板４内を伝搬光３０、３１が伝搬する限り、任意のサイズを有していてよい。第１光伝搬路３５および第２光伝搬路３６は、例えばミリオーダサイズの光伝搬路であり得る。

本実施形態における第１光結合素子１および第２光結合素子２の各々は、入射光８、９の空気中での波長λよりも短い周期Λ（Λ＜λ）を有するグレーティング（diffraction grating）である。以下の説明では、第１光結合素子１を「第１グレーティング１」と称し、第２光結合素子２を「第２グレーティング２」と称することがある。本実施形態における第１グレーティング１および第２グレーティング２の各々は、第１層３の表面に沿ってＹ方向（第２の方向）の溝を有する複数の透光性部材が、Ｘ方向（第１の方向）に連続して（周期的に）配列された構造を有する。本実施形態における透光性部材は、三角柱状の凸部である。グレーティング１、２を構成する複数の透光性部材の構造は、後述するように多様であり得る。第１グレーティング１、第２グレーティング２、および第１層３は、同一の材料で構成された単一構造体であってもよい。

周期Λおよび波長λは観察する対象物によって異なるが、例えばΛ＝０．４５μｍおよびλ＝０．８５μｍに設定され得る。周期Λを波長λよりも小さくすることにより、第１入射光８および第２入射光９が、第１光結合素子１および第２光結合素子２にそれぞれ入射したときに、空気中では０次回折光である透過光、および反射光のみが生じる。±１次以上の高次回折光が外部に出射されることはないので、光利用効率が高く、迷光を低減することができる。

λ＝０．８５μｍの入射光に対して、第１層３は光導波路（厚さｔ₁）として機能するように設計されている。基板４はバッファ層として機能するように設計されている。第１層３（光導波路）の厚さｔ₁は導波モ−ドが存在できる長さに設計される。第１層３（光導波路）の屈折率ｎ₁は、基板４の屈折率ｎ₂よりも大きい（ｎ₁＞ｎ₂）。

本実施形態の光検出装置２９では、第１層３、第１光結合素子１、および第２光結合素子２は、例えば酸化タンタルＴａ₂Ｏ₅（ｎ₁＝２．１１）によって構成され得る。基板４は、例えば酸化シリコンＳｉＯ₂（ｎ₂＝１．４５）からなる石英基板、またはＢＫ７等のガラス基板であり得る。このとき、公知の導波モ−ドの固有方程式から、ｔ₁≧０．１３μｍであれば、ＴＥモ−ドおよびＴＭモ−ドの両方について導波モ−ドが存在することが導かれる。よって、この場合、第１層３の膜厚は、０．１３μｍよりも十分大きい厚さ、例えばｔ₁＝０．３μｍに設定され得る。

第１層３および光結合素子１、２には、Ｔａ₂Ｏ₅以外にも、種々の材料を用いることが可能である。同様に、基板４についても、ＳｉＯ₂以外にも、種々の材料を用いることが可能である。但し、使用する波長の入射光に対して透明な材料を用いることが好ましい。例えば、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、およびＴｅＯ₂等から選ばれる１または複数の酸化物等の無機材料を用いることができる。また、Ｃ−Ｎ、Ｔｉ−Ｎ、Ｚｒ−Ｎ、Ｎｂ−Ｎ、Ｔａ−Ｎ、Ｓｉ−Ｎ、Ｇｅ−Ｎ、Ｃｒ−Ｎ、Ａｌ−Ｎ、Ｇｅ−Ｓｉ−Ｎ、およびＧｅ−Ｃｒ−Ｎ等から選ばれる１または複数の窒化物を用いることもできる。また、ＺｎＳなどの硫化物やＳｉＣなどの炭化物、ＬａＦ₃、ＣｅＦ₃、ＭｇＦ₂などの弗化物を用いることもできる。また、上記材料から選ばれる１または複数の材料の混合物を用いて、形成しても構わない。

さらに、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ノルボルネン樹脂（例えば、「アートン」（ＪＳＲ株式会社製、登録商標））、またはシクロオレフィン樹脂（例えば、「ゼオネックス」（日本ゼオン株式会社製、登録商標））等の樹脂等の有機材料でも良い。これらの材料から、屈折率ｎ₁＞ｎ₂を満たすものを第１層３および基板４に選択すれば良い。

なお、本実施形態では、第１層３、第１光結合素子１、および第２光結合素子２は、同じ材料で構成されているが、これらが異なる材料で構成されていてもよい。

入射光が、Ｙ方向に電場（電界）が振動する直線偏光（ＴＥ偏光）である場合（即ち、入射光の電界方向が、グレーティングの溝が延びる方向に平行な場合）、第１層３においてＴＥモードの導波光が励振される。一方、入射光が、Ｘ方向に電界が振動する直線偏光（ＴＭ偏光）である場合（即ち、光の磁界方向が、グレーティングの溝が延びる方向に平行な場合）、第１層３においてＴＭモードの導波光が励振される。したがって、入射光の偏光方向を変化させることにより、導波光のモードを使い分けることができる。

本実施形態における第１グレーティング１および第２グレーティング２のＸＺ面に平行な断面の形状は、二等辺三角形状である。光結合素子１、２の溝の深さｔ_gは、例えばｔ_g＝０．３μｍに設定され得る。光結合素子１、２の形状および寸法は、この例に限定されず、他の形状および寸法であってもよい。

第１入射光８および第２入射光９が、第１光結合素子１および第２光結合素子２にそれぞれ入射するとき、以下の式（２）を満たせば、第１層３の内部に導波光が励起される。
ｓｉｎθ＝Ｎ−ｍλ／Λ （２）

ここで、Ｎは光導波路（第１層３）内での実効屈折率、θはＺ方向を基準とする光の入射角度、ｍは回折の次数を表す。グレーティング１、２の周期Λが式（２）を満たす値に設定されているとき、入射光８、９の一部が第１層３内の光導波路に結合し、導波光が励起される。例えば、比較的よく結合する１次光（ｍ＝１）が垂直に入射する（θ＝０）とき、式（２）は、次の式（３）に変形される。
Λ＝λ／Ｎ （３）

上記の構造においては、導波モ−ドの固有方程式から、Λ≒０．４５μｍと計算される。

なお、第１層３の厚さｔ₁が変われば、導波モ−ドの固有方程式から、実効屈折率Ｎも変わる。導波モ−ドが存在するとき、Ｎは、次の不等式（４）を満たす。
ｎ₂＜Ｎ＜ｎ₁ （４）

式（２）を用いて式（４）を変形すると、次の式（５）が得られる。
ｍλ／（ｎ₁−ｓｉｎθ）＜Λ＜ｍλ／（ｎ₂−ｓｉｎθ） （５）

θ＝０、ｍ＝１のとき、Λは、次の式（６）を満たす。
λ／ｎ₁＜Λ＜λ／ｎ₂ （６）

対象物からの第１入射光８および第２入射光９は、基板４に入射すると、それぞれ、第１伝搬光３０および第２伝搬光３１になる。第１伝搬光３０および第２伝搬光３１は、第１層３を透過して、それぞれ、第１光結合素子１および第２光結合素子２に入射する。

第１光結合素子１および第２光結合素子２によって第１層３内の光導波路（第３光伝搬路３７）で励起される導波光は、＋Ｘ方向および−Ｘ方向の両方に伝搬する。それらの導波光のうち、図８Ｂには、第１入射光８によって＋Ｘ方向に伝搬する導波光１０と、第２入射光９によって−Ｘ方向に伝搬する導波光１１とが例示されている。２つの導波光１０、１１は、進行方向が逆であるため、第１層３の内部で干渉する。

第１伝搬光３０および第２伝搬光３１の一部は、このように導波光になるが、多くは第１層３を透過して、それぞれ透過光１２、１３になる。透過光１２、１３は、それぞれ、受光素子６、７によって検出される。

本発明者らは、レーザ光等のコヒーレンスを有する光を対象物に照射し、対象物からの反射光または透過光を、本実施形態の光検出装置２９を用いて検出することによっても、対象物の構造（例えば、厚さの変化または屈折率分布等）を定量的に測定できることを見出した。本発明者らは、対象物からの光のうち、隣接する２つの光線をそれぞれ入射光８、９としたとき、導波光１０、１１の干渉の度合いに応じて、透過光１２、１３のそれぞれの光量（パワー）が変化することを発見した。すなわち、第１受光素子６および第２受光素子７を用いて透過光１２、１３の光量を検出することにより、入射光８、９の間のコヒーレンス差（または位相差）を検出することが可能になる。

対象物の構造（厚さの変化または内部の屈折率分布等）に依存して、透過光または反射光が有する位相情報は変化する。このため、入射光８、９の間のコヒーレンス差（または位相差）を検出することにより、対象物の厚さの変化または屈折率分布等を定量的に測定することが可能である。

図８Ａに示される構成では、第１光結合素子（第１グレーティング）１および第２光結合素子（第２グレーティング）２の最も近接する２つの凸部の頂点間もしくは中心間の距離は、周期Λよりも大きい。すなわち、第１グレーティング１と第２グレーティング２との間に、平坦な部分（「スペース領域２７」と称する）を有し、スペース領域２７のＸ方向の長さは、０よりも大きい。

ここで、第１グレーティング１および第２グレーティング２の最も近接する頂点間の距離を、周期Λに定数ｄを乗じた値ｄΛとする。この定数ｄを、「距離定数ｄ」と呼ぶことにする。ｄ＝１の場合、最近接する頂点間の距離がΛになるため、グレーティング１、２は密に形成され、両者の間にスペース領域２７は生じない。一方、本実施形態のようにｄ＞１のときは、グレーティング１、２の間にスペース領域２７が生じる。

なお、本実施形態では、第１グレーティング１および第２グレーティングの各凸部の断面の形状が対称形状であるため、頂点間の距離と中心間の距離とが一致する。一方、各凸部の断面の形状が非対称形状（例えば非対称な三角形）である場合は、頂点間の距離と中心間の距離とは一致しない。非対称な断面形状を有するグレーティングを用いる場合も、第１グレーティング１および第２グレーティング２における最も近接する２つの凸部の頂点間の距離をｄΛとすればよい。

図９Ａは、光検出装置２９において、距離定数ｄ＝１の場合の入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３のパワーＰ１、Ｐ２、およびパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２）との関係を示すグラフである。図９Ｂは、光検出装置２９において、距離定数ｄ＝１．１９の場合の入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３のパワーＰ１、Ｐ２、および（Ｐ１＋Ｐ２）との関係を示すグラフである。図９Ｃは、光検出装置２９において、距離定数ｄ＝１．１９の場合の入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３の規格化パワーＰ１／（Ｐ１＋Ｐ２）、Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）、およびパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２）との関係を示すグラフである。図９Ａ〜９Ｃは、電界方向がＸ方向であるＴＭ偏光について、ＦＤＴＤ法（Finite-difference time-domain method）による電磁界解析を行った結果の例を示している。

本解析では、入射光８、９は、同じ波長λおよび同じパワー（規格化して光パワー１とする。）を有するコヒーレンスが高いレーザ光であるものとした。第１の入射光８の位相を基準として、第２の入射光９の位相との差を位相差φ［度］としている。図９Ａに実線および長い破線でそれぞれ示すように、第１透過光１２のパワーＰ１および第２透過光１３のパワーＰ２は、入射光８、９の間の位相差φに応じて変化する。Ｐ１は、φ＝１６０°の近傍で最大値をとり、φ＝−２０°の近傍で最小値をとる。Ｐ２は、φ＝−１６０°の近傍で最大値をとり、φ＝２０°の近傍で最小値をとる。従って、これらの曲線に基づいて、パワーＰ１、Ｐ２の大きさから、φを−１８０°〜１８０°の範囲内で一意的に定量化することができることが分かる。すなわち、パワーＰ１、Ｐ２を、第１受光素子６および第２受光素子７を用いて検出することにより、入射光８、９の間の位相差φを一意的に検出できる。

なお、図９Ａ〜９Ｃは、ＴＭ偏光である入射光８、９を用いて、ＴＭモ−ドの導波光を励振した場合の結果を示している。本実施形態のように微細なグレーティング１、２を用いた場合、偏光依存性が生じ、位相差を変化させたときの｜Ｐ１−Ｐ２｜の最大値は、ＴＥモードの導波光を励振した場合とＴＭモードの導波光を励振した場合とで異なる。本実施形態においては、ＴＭモードの導波光を励振した場合の｜Ｐ１−Ｐ２｜の最大値は、ＴＥモ−ドの導波光を励振した場合よりも約５．５倍大きかった。

従って、本実施形態の光検出装置２９においては、無偏光の入射光を用いるよりも、｜Ｐ１−Ｐ２｜の最大値が大きくなる直線偏光（本実施形態ではＴＭ偏光）を用いる方がＳＮ比を高くできる。よって、ＴＭ偏光を主成分とする（即ち、ＴＭ偏光成分がＴＥ偏光成分よりも多い）入射光８、９（直線偏光または楕円偏光）を用いることにより、検出感度を高めることができる。そのための構成として、光検出装置２９は、第１グレーティング１および第２グレーティング２にＴＥ偏光よりもＴＭ偏光を多く入射させる偏光素子（例えば直線偏光子または楕円偏光子）を有していてもよい。そのような偏光素子は、グレーティング１、２と対象物との間に配置されるか、もしくは光源と対象物の間に配置される。あるいは、例えば、直線偏光の光を出射する半導体レーザ光源を、ＴＥ偏光成分よりもＴＭ偏光成分を多く含む光を出射するように回転調整し、配置してもよい。

本発明者らは、入射光８、９の実際のパワーは、光検出器５から得られる信号（Ｐ１＋Ｐ２）から算出できると考えた。しかし、図９Ａにおいて短い破線で示されているように、（Ｐ１＋Ｐ２）は、位相差φに応じて変化することが分かった。より具体的には、（Ｐ１＋Ｐ２）は、φ＝０および１８０°で最小値または最大値が生じることが分かった。ここで、φ＝０の場合の（Ｐ１＋Ｐ２）から、φ＝１８０°または−１８０°の場合の（Ｐ１＋Ｐ２）を減じた値の絶対値を「パワー差」として定義する。パワー差は、一定である方が入射光８、９の実際のパワーを算出する際には好都合である。

本発明者らは、距離定数ｄを、ｄ＞１である特定の値、例えばｄ＝１．１９とした場合、図９Ｂにおいて短い破線で示すように、（Ｐ１＋Ｐ２）が位相差φにほとんど依存しない（即ちほぼ一定値になる）ことを発見した。これは、ｄ＞１とすることにより、導波光１０、１１が干渉する周期（通常は式（３）からλ／Ｎ≒Λ）が、中央部のスペース領域２７で乱される（干渉する周期＞グレーティング１、２の周期Λ）ためであると考えられる。距離定数ｄを変化させて周期の乱し方を調整することにより、Ｐ１およびＰ２の出力特性を制御できる。

図９Ｂにおいて実線および長い破線で示すように、第１透過光のパワーＰ１および第２透過光のパワーＰ２が位相差φに応じて変化する。ｄ＝１．１９の場合、｜Ｐ１−Ｐ２｜の最大値はｄ＝０の場合よりも大きくなる。Ｐ１はφ＝８５°の近傍で最大値をとり、φ＝−９５°の近傍で最小値をとる。Ｐ２はφ＝−８５°の近傍で最大値をとり、φ＝９５°の近傍で最小値をとる。従って、これらの曲線に基づいて、Ｐ１およびＰ２の値から、位相差を−１８０°〜１８０°の範囲内で一意的に定量化することができる。

ｄ＝１．１９の条件では、入射光８、９のパワーは位相差φによらず、（Ｐ１＋Ｐ２）に比例するとみなすことができる。入射光８、９のパワーを規格化してそれぞれ１とした場合には、図９Ｂに示すように、（Ｐ１＋Ｐ２）＝１．０となった。このため、入射光８、９のパワーの値は、位相差φによらず、（Ｐ１＋Ｐ２）／１．０の演算によって算出することができる。

図９Ｃに示すように、Ｐ１およびＰ２を（Ｐ１＋Ｐ２）で除した値Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）およびＰ２／（Ｐ１＋Ｐ２）を規格化パワーとして用いてもよい。この場合、（Ｐ１＋Ｐ２）が変化しても、φ＝０、±１８０°において、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）＝Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）＝０．５となる。このため、測定値を定量化する上で都合が良い。

本発明者らは、さらに、ｄ＝１．１９以外にも、（Ｐ１＋Ｐ２）が位相差φにほとんど依存しなくなるｄの値が周期的に存在することを見出した。第１層３（光導波路）内での導波光の波長はλ／Ｎで表される。θ＝０（垂直入射）、ｍ＝１で導波光が励振される条件では、式（３）からλ／Ｎ＝Λとなるので、導波光の波長はΛに一致する。従って、垂直に近い角度で入射する光に関しては、ｄの周期はλ／（ＮΛ）≒１と近似できる。

図１０は、本実施形態の光検出装置２９における距離定数ｄとパワー差との関係を示すグラフである。

ｉを０以上の整数として、パワー差が０となる最適なｄの値は、
ｄ＝１．１９＋ｉ （７）
または
ｄ＝１．７１＋ｉ （８）
であることが分かった。例えば、ｉ＝１０のときは、ｄ＝１１．１９またはｄ＝１１．７１となる。このときの第１光結合素子１および第２光結合素子２の最も近接する頂点間の間隔は、ｄΛ＝５．０３μｍまたはｄ＝５．２７μｍとなる。

パワー差が−０．５〜０．５の範囲に入る好ましいｄの条件は、
１．０８＋ｉ≦ｄ≦１．３１＋ｉ （９）
または
１．５８＋ｉ≦ｄ≦１．８３＋ｉ （１０）
である。

パワー差が−０．２〜０．２の範囲に入るさらに好ましいｄの条件は、
１．１５＋ｉ≦ｄ≦１．２４＋ｉ （１１）
または
１．６６＋ｉ≦ｄ≦１．７６＋ｉ （１２）
である。

パワー差が−０．１〜０．１の範囲に入るさらに好ましいｄの条件は、
１．１７＋ｉ≦ｄ≦１．２１＋ｉ （１３）
または
１．６８＋ｉ≦ｄ≦１．７３＋ｉ （１４）
である。

なお、θ≠０の場合は、導波モードの固有方程式からＮを計算し、上記ｉの代わりに、ｉλ／（ＮΛ）を用いると精度が向上する。

これまで説明した構成では、第１光結合素子１および第２光結合素子２は、均一な周期Λを有するグレーティングである。このようなグレーティングに限らず、第１光結合素子１および第２光結合素子２の各々は、複数の周期を有するグレーティングであってもよい。すなわち、第１グレーティング１および第２グレーティング２の各々は、互いに異なる周期を有する複数の部分を含んでいてもよい。式（２）から、好適な周期Λは、入射角θおよび光の波長λに依存することが分かる。複数の周期を有するグレーティングを用いることにより、入射角θおよび波長λの範囲を広げることができる。

垂直入射（θ＝０）に適した条件で光検出装置２９を設計した場合、光の入射角度が変化すると、位相差を変化させたときの｜Ｐ１−Ｐ２｜の最大値である透過光量の変化は低下していく。その半値全幅は、例えば±４°程度と比較的狭かった。グレーティング１、２が複数の周期を有することにより、この角度範囲を広げることができる。θ＝±５°での周期Λの好適値は、それぞれ０．４３μｍおよび０．４７μｍである。このため、第１グレーティング１および第２グレーティング２を、例えばΛ＝０．４３μｍから０．４７μｍまで徐々に周期が変化するチャープグレーティングで構成すれば、斜入射特性の良好な光検出装置２９を実現できる。

第１グレーティング１および第２グレーティング２の各々は、例えばΛ＝０．４３μｍ、０．４５μｍ、０．４７μｍのような３つまたはそれよりも多くの異なる周期の部分を有していても良い。そのような構成によっても同様の効果が期待できる。

同様の考え方で、波長特性を広げることも可能である。入射波長が拡がりを持つマルチ波長の場合、位相差を変化させたときの｜Ｐ１−Ｐ２｜の最大値である透過光量の変化は低下し、その半値全幅は、例えば、±１０ｎｍ程度であり得る。単一波長λ＝０．８４μｍ、０．８６μｍでの好適値（ただし、θ＝０）は、それぞれ、Λ＝０．４４５μｍ、０．４５５μｍとなる。このため、第１グレーティング１および第２グレーティング２を、例えばΛ＝０．４４５μｍから０．４５５μｍまで徐々に変化するチャープグレーティングで構成すれば、波長範囲を拡げることができる。

第１グレーティング１および第２グレーティング２の各々は、例えばΛ＝０．４４５μｍ、０．４５０μｍ、０．４５５μｍのような３つまたはそれよりも多くの異なる周期の部分を有していても良い。そのような構成によっても同様の効果が期待できる。

次に、本実施形態の光検出装置２９の製造方法の一例を説明する。

図１１Ａ、１１Ｂは、本実施形態の光検出装置２９の製造工程の一例を示す断面図である。まず、図１１Ａに示すように、基板４上に、厚さｔ₁の第１層３を成膜する。成膜プロセスは、例えばスパッタ法または真空蒸着法を用いることができる。第１層３に樹脂材料を用いる場合、塗布プロセスを使えば、低温プロセスが可能になる。その後、図１１Ｂに示すように、第１層３上に、第１光結合素子１および第２光結合素子１、２を同時に形成する。この工程には、例えばフォトリソグラフィとエッチングプロセスとの組み合わせ（いわゆる公知のバイナリオプティクス製造方法）を用いることができる。これにより、例えば断面形状が三角形状のグレーティングを作製できる。これ以外にも、例えばナノインプリントまたは３Ｄプリンティング法を用いることもできる。特に、ナノインプリント工法によれば、低コスト化が可能である。このようにして作製した素子を、第１受光素子６および第２受光素子７を有する光検出器５と組み合わせることにより、光検出装置２９が作製される。

［光検出システム］
本実施形態における光検出装置２９も、光源および演算回路と組み合わせることによって対象物の構造（例えば表面構造または屈折率分布等）の情報を得ることができる。以下、そのような光検出システムの例を説明する。

図１２Ａは、本実施形態における光検出装置２９を用いた光検出システムの構成例を模式的に示す図である。この光検出システムは、空気中での波長がλの光を出射する光源２５と、第１受光素子６から出力される第１電気信号、および第２受光素子７から出力される第２電気信号に基づいて、対象物の構造に関する情報（電気信号１８）を生成して出力する演算回路２０とを備えている。第１受光素子６および第２受光素子７は、光源２５から出射され、対象物２１から到達した波長λの光を検出する。この光検出システムは、対象物２１からの透過光を検出するが、反射光を検出するように構成してもよい。対象物２１は、特に限定されないが、例えば生体組織や位相段差を備えた書類の偽造防止マークであり得る。

本実施形態における演算回路２０は、例えばＤＳＰ、ＡＳＩＣ、またはＦＰＧＡなどの集積回路であり得る。演算回路２０は、例えばメモリに格納されたコンピュータプログラムを実行することにより、後述する演算を行い、対象物２１の構造に関する情報を生成する。

光検出システムは、光源２５から、レーザ光等のコヒーレンスを有する単色光である出射光２６を対象物２１に照射し、対象物２１を透過した光（隣接する第１入射光８および第２入射光９を含む）を、光検出装置２９によって検出する。図１２Ａに示されている例では、第１入射光８は、対象物２１における相対的に薄い箇所を透過した光であり、第２入射光９は、対象物２１における相対的に厚い箇所を透過した光である。両者の厚さの差をＳとし、対象物２１の屈折率をｎ_oとすると、第１入射光８と第２入射光９との間の位相差φは、以下の式（１５）で表される。
φ＝２π（ｎ_o−１）Ｓ／λ （１５）
すなわち、第２入射光９の位相は、第１入射光８の位相よりも、２π（ｎ_o−１）Ｓ／λだけ遅れる。

受光素子６は、第１透過光１２のパワーＰ１に比例した信号値をもつ電気信号１５を出力する。受光素子７は、第２透過光１３のパワーＰ２に比例した信号値をもつ電気信号１６を出力する。演算回路２０は、電気信号１５、１６を受け、入射光８、９のパワーと、位相差φとを求める。位相差φは、図９Ａ〜９Ｃを参照して説明した方法で求めることができる。演算回路２０は、位相差φを示す情報を、対象物２１の構造に関する情報（電気信号１８）として出力する。その位相差φの情報から、式（１５）より、厚さの変化量（段差）Ｓの値を求めることができる。演算回路２０は、位相差φに基づいてＳ値を計算し、その情報を電気信号１８に含めて出力しても良い。

光源２５から出射される光のパワーは既知であるので、入射光８、９のパワーの値から、対象物２１の透過率または反射率を求めることもできる。演算回路２０は、対象物２１の透過率または反射率を示す信号を出力しても良い。

光検出システムは、例えばレーザ光源のようなコヒーレンスを有する光源２５を備えていてもよいし、光源２５は外部の要素であってもよい。光源２５は、光検出装置２９に内蔵されていてもよい。光検出システムは、図１２Ａに示す構成要素以外の要素を備えていてもよい。例えば、光結合素子１、２と対象物２１との間に、使用する特定の波長域の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを備えていてもよい。そのようなバンドパスフィルタは、受光素子６の前面に設けられていてもよい。

図１２Ｂは、本実施形態における光検出システムの変形例を示す図である。図１２Ｂに示すように、光検出装置２９は、対象物２１と、第１光結合素子１および第２光結合素子２との間に、ＴＥ偏光成分よりもＴＭ偏光成分を多く透過させる偏光素子５０を備えていてもよい。偏光素子５０は、例えば直線偏光子または楕円偏光子であり得る。これにより、ＴＥ偏光成分よりもＴＭ偏光成分を多く含む光が光結合素子１、２に入射するため、前述のように検出感度を高めることができる。

［光検出装置の変形例］
図１３は、本実施形態の変形例における光検出装置２９ａの構成を示す断面図である。この例では、第１光結合素子１””および第２光結合素子２””の各々は、ＸＺ面に平行な断面の形状が台形状のグレーティングである。グレーティング１””、２””の形状は、三角柱状のグレーティング１、２の上部（角）が削られた形状である。各グレーティングの断面の形状は、例えば正弦波形状でもよい。角が尖っている必要はなく、角が丸い形状でも良い。ＸＺ面に平行な断面の面積が底部から上部（先端部）に向かうに従って小さくなる形状（テーパー形状）のグレーティングであれば、三角柱状のグレーティングを用いた場合と同様の効果が得られる。すなわち、対象物からの透過光または反射光のコヒーレンスの度合いに基づいて対象物の情報を定量的に測定でき、構造が安定な小型かつ薄型の光検出装置を実現することができる。

図１４は、本実施形態の他の変形例における光検出装置２９ｂの構成を示す断面図である。この例では、第１光結合素子１’および第２光結合素子２’は、第１層３’の２つの表面（上面および下面）の両方に形成されている。第１層３’と同じ材料で第１光結合素子１’および第２光結合素子２’が構成されている。第１光結合素子１’および第２光結合素子２’は、第１層３’の内部に形成されているともいえる。このように、第１光結合素子１’、第２光結合素子、および第１層３は、同一の材料で構成された単一構造体であってもよい。この形態では、第１光伝搬路３５の出射部４１および第２光伝搬路３６の出射部４２は、第１光結合素子１’および第２光結合素子２’と直接的に対向（即ち接触）している。

また、第１光結合素子１’および第２光結合素子２’は、例えば、第１層３’の屈折率とは異なる材料を用いて、第１層３’の内部のみに形成されても良い。

図１４に示す光検出装置２９ｂは、例えば以下の工程で作製することができる。まず、基板４’の表面に、例えば、フォトリソグラフィおよびエッチング工程を用いて、深さｔ_gのグレーティング形状を作製する。その上に、第１層３’を成膜する。すると、第１層３’の表面（下面）にも、深さｔ_gの同等のグレーティング形状が形成される。このように作製した素子と、光検出器５とを組み合わせることで、光検出装置２９ｂが作製される。この例によれば、基板４’の材料へのエッチング特性が良好で、グレーティング１’、２’が形成しやすい場合には、製造が容易であるという効果がある。

図１５は、本実施形態のさらに他の変形例における光検出装置２９ｃの構成を示す断面図である。この光検出装置２９ｃは、前述の光検出装置２９における光検出器５と第１光結合素子１および第２光結合素子２との間の空気層を、透光性の第２層２４に置き換えた構造を有する。第２層２４の屈折率は、第１層３および結合素子１、２の屈折率よりも小さい。このような集積構造を形成することにより、構造が安定で、振動等の外乱に強い光検出装置２９ｃを実現できる。

本変形例における光検出装置２９ｃは、図１１Ｂに示す工程の後に、光結合素子１、２と、光検出器５における受光素子６、７とを対向させ、それらの間に、例えば透光性のＵＶ硬化樹脂または接着剤等を流し込み、硬化させて第２層２４を形成することによって作製され得る。

（実施形態５）
次に、本開示の実施形態５の光検出装置を説明する。

図１６は、本実施形態における光検出装置２９ｄの構成を模式的に示す断面図である。本実施形態の光検出装置２９ｄは、光検出器５’が受光素子６’、７’（第３受光素子）をさらに有し、スペース領域２７が比較的大きい点で、実施形態４の光検出装置２９と異なる。実施形態４の光検出装置２９では、スペース領域２７を透過する入射光成分は光検出器５の受光素子に入らない。一方、本実施形態の光検出装置２９ｄでは、中央部のスペース領域２７を透過する入射光８’、９’は、透過光１２’、１３’となり、光検出器５’の受光素子６’、７’で検出される。

第１の入射光のうち、第１光結合素子１に入らない入射光８’は、導波光の励起には無関係であり、基板４および第１層３を透過し、透過光１２’となる。同じく、第２の入射光のうち、第２光結合素子２に入らない入射光９’は、導波光の励起には無関係であり、基板４および第１層３を透過し、透過光１３’となる。従って、それらの透過光１２’、１３’を受光素子６’、７’で検出することにより、入射光８’、９’のパワーを検出することができる。

本実施形態の構成により、スペース領域２７が大きい場合でも、スペース領域２７を透過する光を検出する受光素子６’、７’を設けることにより、光利用効率を向上させることができる。

図１６のように、受光素子６、７と分離して受光素子６’、７’を設けることにより、光パワー分布の検出精度（分解能）が向上する。また、受光素子６と６’とを一体化し、受光素子７と７’とを一体化した構成でも良い。スペース領域２７に対向する受光素子の数は、２つに限らず、１つまたは３つ以上でもよい。このように、光検出器は、第１グレーティング１と第２グレーティング２との間のスペース領域２７に対向する少なくとも１つの第３受光素子を有していてもよい。

（実施形態６）
次に、本開示の実施形態６における光検出装置を説明する。

図１７は、本実施形態における光検出装置２９ｅの構成を模式的に示す断面図である。

本実施形態の光検出装置２９ｅが実施形態４の光検出装置２９と異なる点は、第１光結合素子１”および第２光結合素子２”の形状にある。本実施形態における第１光結合素子１”および第２光結合素子２”の各々は、Ｙ方向に溝を有し、ＸＺ面に平行な断面の形状が矩形形状である凸部がＸ方向に複数個連続して（周期的に）並んだグレーティングである。グレーティング１”、２”の形状は、その頂点が一意的に決められない形状であるが、便宜的に、図１７に示すように、グレーティング１”、２”の各凸部の中央部を基準（仮想的な頂点）として、実施形態１と同様に説明する。

本実施形態におけるグレーティング１”、２”は、第１層３と同じ材料Ｔａ₂Ｏ₅で構成されている。入射光８、９の空気中での波長λは、例えばλ＝０．８５μｍである。１つの凸部のＸ方向の寸法は、凸部間の溝（凹部）のＸ方向の寸法と同じである。溝の深さｔ_gは、例えばｔ_g＝０．１μｍである。隣接する２つの凸部の中心間の距離Λは、例えばΛ＝０．４５μｍである。溝が浅い矩形の断面形状を有するグレーティングは、実施形態１における三角形状の断面形状を有するグレーティングよりも製造が容易であるという利点がある。

図１８は、本実施形態の光検出装置２９ｅにおいて、距離定数ｄ＝１.０５の場合の入射光８、９の間の位相差φと、それぞれの透過光１２、１３の規格化パワーＰ１／（Ｐ１＋Ｐ２）、Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）、およびパワーの合計（Ｐ１＋Ｐ２）との関係を示すグラフである。図１９は、本実施形態の光検出装置２９ｅにおける距離定数ｄとパワー差との関係を示すグラフである。

本実施形態の光検出装置２９ｅにおいても、（Ｐ１＋Ｐ２）が位相差φにほとんど依存しなくなるｄが、ｄ＞１において存在する。例えば、ｄ＝１．０５とした場合、図１８において短い破線で示すように、（Ｐ１＋Ｐ２）がほぼ一定値１．４となる。この値は実施形態４の光検出装置２９での（Ｐ１＋Ｐ２）の値１．０よりも大きい。このため、本実施形態の構成は、光利用効率がより優れていると言える。本実施形態における入射光８、９のパワー値は、φによらず、（Ｐ１＋Ｐ２）／１．４の演算によって算出することができる。

図１９に示すように、距離定数ｄに応じてパワー差が変化する。ｉを０以上の整数として、パワー差が０となる最適なｄの値は、
ｄ＝１．０５＋ｉ （１６）
または
ｄ＝１．６１＋ｉ （１７）
であることが分かった。例えば、ｉ＝１０のときは、ｄ＝１１．０５またはｄ＝１１．６１となる。このときの第１光結合素子１”および第２光結合素子２"の最も近接する頂点（凸部の中央）間の間隔は、ｄΛ＝４．９７μｍまたはｄ＝５．２２μｍとなる。

パワー差が−０．５〜０．５の範囲に入る好ましいｄの条件は、
１≦ｄ≦１．２２ （１８）
または
１．４６＋ｉ≦ｄ≦２．２２＋ｉ （１９）
である。

パワー差が−０．２〜０．２の範囲に入るさらに好ましいｄの条件は、
１≦ｄ≦１．１０ （２０）
または
１．５６＋ｉ≦ｄ≦１．６８＋ｉ （２１）
または
２．０４＋ｉ≦ｄ≦２．１８＋ｉ （２２）
である。

パワー差が−０．１〜０．１の範囲に入るさらに好ましいｄの条件は、
１．０２＋ｉ≦ｄ≦１．０７＋ｉ （２３）
または
１．５８＋ｉ≦ｄ≦１．６４＋ｉ （２４）
である。

なお、図１８は、ＴＭ偏光を有する入射光８、９を用いて、ＴＭモ−ドの導波光を励振した場合の結果を示している。本実施形態では、ＴＭモードの導波光を励振した場合の｜Ｐ１−Ｐ２｜の最大値は、ＴＥモ−ドの導波光を励振した場合よりも例えば約１．６倍大きかった。しかし、偏光によるこの差は、三角形状の断面をもつグレーティングを用いた実施形態４の構成（約５．５倍）よりも小さかった。

従って、本実施形態の光検出装置２９ｅにおいても、無偏光の入射光を用いるよりも、｜Ｐ１−Ｐ２｜の最大値が大きくなる直線偏光（本実施形態ではＴＭ偏光）を用いる方がＳＮ比を高くできる。すなわち、ＴＭ偏光を主成分とする入射光８、９（直線偏光または楕円偏光）を用いることにより、ＳＮ比が向上し、検出感度を高めることができる。

図２０は、本実施形態の光検出装置２９ｅにおいて、グレーティングの周期Λと好適な波長との関係を示すグラフである。このグラフは、グレーティングの溝の深さが一定値（ｔ_g＝０．１μｍ）の場合の結果を示している。好適波長λは、Λの変化に対して線形的な関係を有することが分かった。このグラフから、好適波長λは、次の式（２５）で良好に近似可能であることが分かった。
λ＝１．６４８８Λ＋０．１１２１１ (２５)

式（２５）から、青の波長λ＝０．４６μｍについてはΛ＝２１１ｎｍとなる。緑の波長λ＝０．５３２μｍについてはΛ＝２５５ｎｍとなる。赤の波長λ＝０．６３２μｍについてはΛ＝３１５ｎｍとなる。Ｘ方向の長さが凸部と凹部とで変わらない典型的なデューティ比０．５のグレーティング構成では、線幅（各凸部の幅）は周期の半分である。よって、深さｔ_g＝０．１μｍの矩形断面を有するグレーティングを形成する場合、０．１μｍの線幅の加工ができれば、ＲＧＢのそれぞれの波長に対応した光検出装置を実現できることが分かった。

図２１は、本実施形態の変形例における光検出装置２９ｆの構成を模式的に示す断面図である。この変形例では、第１光結合素子１”’および第２光結合素子２”’の各々は、ＸＺ面に平行な断面の形状が半円形状のグレーティングである。断面が半円形状のグレーティング１”’、２”’は、実質的に矩形形状のグレーティング１”、２”の上部（角）が丸くなった形状と考えることができる。断面が半円形状のグレーティング１”’、２”’でも、矩形形状のグレーティング１”、２”の角が丸くなった形状でも、底面近くの側面が第１層３に略垂直に近くなっている。これらのグレーティングを用いた場合も、断面が矩形状のグレーティング１”、２”を用いた場合と同じような効果が得られる。すなわち、対象物からの透過光または反射光のコヒーレンスの度合いに基づいて対象物の情報を定量的に測定でき、構造が安定な小型かつ薄型の光検出装置を実現することができる。

（実施形態７）
次に、本開示の実施形態７の光検出装置を説明する。

図２２Ａは、本実施形態の光検出装置２９ｇの構成を模式的に示す平面図である。図２２Ｂは、図２２ＡにおけるＡ−Ａ’線断面図である。以下の説明では、図中に示される第１光結合素子１”ａ、１”ｂ、１”ｃ、１”ｄなどをまとめて第１光結合素子１”などと表記する。他の構成要素についても同様である。

本実施形態の光検出装置２９ｇが実施形態６の光検出装置２９ｅと異なる点は、本実施形態の光検出装置２９ｇは、複数の検出単位１４、１４’を有していることにある。複数の検出単位１４は、ＸＹ面に平行に２次元的に配列されている。複数の検出単位１４’は、Ｙ方向に配列されている。各検出単位１４、１４’は、第１層３の一部、基板４の一部、第１光結合素子１”、第２光結合素子２”、第１受光素子６’、および第２受光素子７’を含む。第１層３および基板４は、複数の検出単位１４、１４’で共通である。本実施形態における光検出器は、イメージセンサ１７である。第１層３において、複数の検出単位１４のうちの隣接する２つの間の領域には、Ｙ方向に溝１９（幅ｗ_b、深さｔ_b）が形成されている。第１層３において、複数の検出単位１４’のうちの隣接する２つの間の領域には、Ｘ方向に溝１９’（幅ｗ_b、深さｔ_b）が形成されている。なお、図２２Ｂでは、イメージセンサ１７からの電気信号を出力する配線の図示は省略されている。図２２Ｂには、Ｘ方向に並ぶ４個の検出単位１４のみが示されているが、同様の構成が、Ｙ方向に５組並んでいる。

本実施形態の光検出装置２９ｇは、各々が実施形態６の光検出装置２９ｅの構成を有する複数の検出単位を備えている。複数の検出単位は、第１の方向（この例ではＸ方向）の情報を検出する複数の第１検出単位１４と、第１の方向に垂直な第２の方向（この例ではＹ方向）の情報を検出する複数の第２検出単位１４’とを含む。第１検出単位１４においては、第１受光素子６’および第２受光素子７’が第１の方向（Ｘ方向）に並んでいる。第２検出単位１４’においては、第１受光素子６’および第２受光素子７’が第２の方向（Ｙ方向）に並んでいる。

図２２Ａには、Ｘ方向に４つ、Ｙ方向に５つの計２０個（４×５配列）の検出単位１４と、Ｘ方向に１つ、Ｙ方向に２つの計２個（１×２配列）の検出単位１４’とが配置された例が示されている。これは一例であり、検出単位１４および検出単位１４’の数および配置の態様はこの例に限定されない。少なくとも１つの第１検出単位１４と、少なくとも１つの第２検出単位１４’とが設けられていれば、対象物のＸ方向（第１方向）およびＹ方向（第２方向）の情報を取得することができる。

本実施形態の光検出装置２９ｇは、対象物からの透過光または反射光のうち、隣接する入射光８、９を、それぞれの検出単位１４、１４’に入射させて検出する。これにより、対象物の２次元情報を定量的に測定できる。

図２２Ａに示す構成では、検出単位１４、１４'はストライプ状に配列されている。図示される左側の５行４列の２０個の検出単位１４は、Ｘ方向の情報を２次元的に検出する。右側の２行１列の２個の検出単位１４’は、Ｙ方向の情報を１次元的に検出する。各検出単位１４で得られる対象物の情報は、それぞれＸ方向に関する情報であるため、右側の検出単位１４'で得られるＹ方向に関する情報と統合することで、対象物の２次元情報を得ることができる。

本実施形態の光検出装置２９ｇは、溝の方向がＹ方向（第２の方向）に平行なグレーティング１”ａ、１”ｂ、１”ｃ、１”ｄ、２”ａ、２”ｂ、２”ｃ、２”ｄと、溝の方向がＸ方向（第１の方向）に平行なグレーティング１”Ａ、１”Ｂ、２”Ａ、２”Ｂとを備えている。このため、検出単位１４にとってのＴＥ偏光は検出単位１４’にとってはＴＭ偏光になり、検出単位１４にとってのＴＭ偏光は検出単位１４’にとってはＴＥ偏光になる。このため、検出単位１４、１４’の検出性能が偏光方向に極力依存しないことが好ましい。前述のように、実施形態４のような断面が三角形状のグレーティングを用いるよりも、断面が矩形状または半円形状のようなグレーティングを用いた方が、入射光８、９の偏光方向の違いによる｜Ｐ１−Ｐ２｜の最大値の差が小さい。よって、本実施形態では、図２２Ｂに示すように、断面が矩形状のグレーティング１”が用いられている。ただし、これに限定されず、実施形態４のようなグレーティングを用いてもよい。

本実施形態では、第１層３における複数の検出単位１４、１４’の間の領域に溝１９、１９’（１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９’ａ、１９’ｂ、１９’ｃ）が形成されている。このため、各検出単位１４、１４’から隣接する検出単位への導波光の漏れを減らすことができ、その結果、クロストークを低減できる。各溝１９、１９’の幅ｗ_bは、典型的にはグレーティングの周期Λよりも長い値、例えばΛ〜５Λに設定され得る。各溝１９、１９’の深さｔ_bは、その下に導波モ−ドが生じない厚さ（いわゆるカットオフとなる厚さ）以上、例えばｔ_b≧０．２６μｍに設定され得る。このような溝１９、１９’を設けることにより、隣の検出単位に漏れ出る導波光のパワーを、例えば１／３〜１／１５にまで低減することができる。なお、ｔ_b＝ｔ₁にしても良いし、第１層３を突き抜けてその奥の基板４にまで溝を形成しても良い。

次に、本実施形態の光検出装置２９ｇの製造工程の一例を説明する。

図２３Ａ〜２３Ｃは、本実施形態の光検出装置２９ｆの製造工程の一例を示す断面図である。本実施形態の光検出装置２９ｇの製造工程は、実施形態４の光検出装置２９の製造工程とほぼ同様であるが、複数の検出単位１４、１４'を２次元的に配列して形成することと、溝１９、１９’の形成を行うこととが異なる。

まず、図２３Ａに示すように、基板４上に、厚さｔ₁の第１層３を成膜する。その後、図２３Ｂに示すように、第１層３上に、複数の第１光結合素子１”および複数の第２光結合素子２"を２次元的に同時に形成する。なお、図２３Ｂには４つの検出単位のみが図示されている。その後、図２３Ｃに示すように、第１層３における複数の検出単位１４、１４'の間の領域に複数の溝１９、１９’を形成する。このようにして作製した素子をイメージセンサ１７と組み合わせることにより、光検出装置２９ｇが完成する。

本実施形態では、全ての検出単位１４、１４’が同一の周期のグレーティング１”、２”を有している。すなわち、本実施形態の光検出装置２９ｇは、特定の波長および特定の入射角度に適した構成を有している。しかし、図２０を参照して説明したように、複数の周期を有するグレーティングを用いることにより、種々の波長に対応することができる。例えば、検出単位ごとにグレーティングの周期Λを変えてもよい。また、１つの検出単位の中で複数の周期を有するグレーティングを用いてもよい。これにより、斜め入射特性または波長特性が向上する効果が期待できる。

図２４Ａは、本実施形態の変形例における光検出装置２９ｈの構成を模式的に示す断面図である。この例では、第１層３における複数の検出単位１４の間の領域に溝が形成され、その溝に吸収膜２３が堆積されている。吸収膜２３を設けることにより、溝で生じる反射散乱光を低減し、光検出装置２９ｈの迷光を低減してＳＮ比を向上させることができる。吸収膜２３は、例えばカーボンを添加した樹脂が用いられ得る。これ以外にも、消衰係数の大きい材料であれば同様に使用することができる。

図２４Ｂは、本実施形態の他の変形例における光検出装置２９ｉの構成を模式的に示す断面図である。この例では、第１層３における複数の検出単位１４の間の領域に金属膜２２のパターン（幅ｗ_m、厚さｔ_m）が形成されている。金属膜２２のパターン（すなわち金属製の凸部）を形成することにより、その領域では光の閉じ込め条件が崩れて導波モ−ドが存在できない状態になる。これにより、隣の検出単位に漏れ出る導波光のパワーを低減することが可能である。金属膜２２に使用される金属は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ等であり得る。本発明者らの検証によれば、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕよりもＡｌ、Ｗ、Ｔｉ等の方が低減効果が大きい。金属膜２２のＸ方向の寸法ｗ_mは、グレーティングの周期をΛとして、例えばｗ_m＝Λ〜５Λに設定され得る。金属膜２２の厚さ（Ｚ方向の寸法）はｔ_mは、例えばｔ_m＝２０ｎｍ〜１００ｎｍに設定され得る。このような構成により、隣の検出単位に漏れ出る導波光のパワーを、例えば１／５〜３／１００程度に低減することができる。

この変形例では、第１層３上に金属膜２２のパターンを形成することにより、溝を設ける必要がない。溝がないため、導波光の反射を低減することができる。導波光の反射が大きいと、検出単位１４中の導波光１０、１１の干渉に影響を及ぼし、位相差検出の精度が低下する。本変形例によれば、導波光の反射を低減し、位相差検出の精度を向上させることができる。

図２４Ｃは、本実施形態のさらに他の変形例における光検出装置２９ｊの構成を模式的に示す断面図である。この例では、複数の検出単位１４の間の領域にも連続的に光結合素子（グレーティング）が形成されている。グレーティングの上には金属膜２２のパターンが形成されている。言い換えれば、本実施形態の光検出装置２９ｊは、第１層３における複数の検出単位１４の間の領域上に、金属膜で覆われた他の光結合素子を有している。本変形例によれば、図２４Ｂに示す光検出装置２９ｉよりも、隣の検出単位に漏れ出る導波光のパワーをさらに低減することが可能である。よって、本変形例の構成は、クロストーク特性に優れている。

（実施形態８）
次に、本開示の実施形態５の光検出装置を説明する。

図２５は、本実施形態の光検出装置２９ｋの構成を模式的に示す平面図である。本実施形態の光検出装置２９ｋは、実施形態７の光検出装置２９ｇにおける複数の検出単位１４、１４’の配列（ストライプ状の配列）を、千鳥状（staggered）の配列に変更した構成を有する。

本実施形態では、ある行の検出単位１４のＸ方向の位置と、隣接する他の行の検出単位１４のＸ方向の位置とが、半周期ずれている。同様に、ある列の検出単位１４’のＹ方向の位置と、隣接する他の列の検出単位１４’のＹ方向の位置とが、半周期ずれている。このような千鳥状の配列により、Ｘ方向およびＹ方向のいずれについても分解能を実質的に向上させることが可能である。

以上、本開示の技術の例示として、実施形態１〜８の光検出装置２８〜２８ｃ、２９〜２９ｋ、およびこれらの光検出装置のいずれかを含む光検出システムを説明した。本開示における技術は、これらに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施形態にも適用可能である。上記実施形態における構成要素を組み合わせて、他の実施形態を構成することも可能である。

本開示における光検出技術は、たとえば、対象物の表面情報を測定するカメラまたは測定機器に有用である。

１ 第１光結合素子
２ 第２光結合素子
３ 第１層
４ 基板
５ 光検出器
６ 第１受光素子
７ 第２受光素子
８ 第１入射光
９ 第２入射光
１０ 第１導波光
１１ 第２導波光
１２ 第１透過光
１３ 第２透過光
１４ 検出単位
１５ 第１電気信号
１６ 第２電気信号
１７ イメージセンサ
１８ 対象物に関する情報の電気信号
１９ 溝
２０ 演算部
２１ 対象物
２２ 金属膜パターン
２３ 吸収膜
２４ 第２層
２５ 光源
２６ 出射光
２７ スペース領域
２８ 光検出装置
２９ 光検出装置
３０ 第１伝搬光
３１ 第２伝搬光
３２ 第３伝搬光
３３ 第４伝搬光
３４ 空洞
３５ 第１光伝搬路
３６ 第２光伝搬路
３７ 第３光伝搬路
３８ 第４光伝搬路
３９ 第３受光部
４０ 第３透過光
４１ 第１光伝搬路の出射部
４２ 第２光伝搬路の出射部
４３ 第４光伝搬路の出射部
４４ 第１光伝搬路の入射部
４５ 第２光伝搬路の入射部
５０ 偏光素子

Claims (29)

1. 第１受光素子および第２受光素子を有する光検出器と、
   前記第１受光素子および前記第２受光素子上に配置された基板であって、対象物からの光を第１受光素子の方向に伝搬させる第１光伝搬路と、前記対象物からの光を前記第２受光素子の方向に伝搬させる第２光伝搬路と、を有する基板と、
   前記第１光伝搬路の一部と前記第２光伝搬路の一部とを結ぶ第３光伝搬路と、
   を備え、
   前記第３光伝搬路は、前記基板内に設けられており、
   前記第１受光素子および前記第２受光素子は、空気中の波長がλの光を検出し、
   前記基板は、前記第１光伝搬路、前記第２光伝搬路、および前記第３光伝搬路以外の領域に、前記波長λの光を遮断するフォトニック結晶の構造を有している、
   光検出装置。
2. 前記第１受光素子および前記第２受光素子は、前記光検出器の受光面に沿って第１の方向に並び、
   前記基板は、前記受光面に平行で前記第１の方向に垂直な第２の方向に延びる複数の空洞を含み、
   前記複数の空洞は、前記第１光伝搬路、前記第２光伝搬路、および前記第３光伝搬路以外の領域に周期的に配列されている、
   請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記第３光伝搬路は、前記第１光伝搬路と前記第２光伝搬路との間において屈曲部を有し、
   前記屈曲部は、前記第３光伝搬路と前記第１光伝搬路との合流点、および前記第３光伝搬路と前記第２光伝搬路との合流点よりも、前記光検出器の前記受光面から遠くに位置している、
   請求項２に記載の光検出装置。
4. 前記光検出器は、前記第１受光素子と前記第２受光素子との間に、さらに第３受光素子を有し、
   前記基板は、前記第３光伝搬路の中間もしくはその途中の部分から前記第３受光素子に向かって光を伝搬させる第４光伝搬路を有する、
   請求項１から３のいずれかに記載の光検出装置。
5. 前記第１光伝搬路を伝搬した光の少なくとも一部は前記第１受光素子に入射し、
   前記第２光伝搬路を伝搬した光の少なくとも一部は前記第２受光素子に入射し、
   前記第３光伝搬路および前記第４光伝搬路を伝搬した光の少なくとも一部は前記第３受光素子に入射する、
   請求項４に記載の光検出装置。
6. ２次元的に配列された複数の検出単位を有し、
   前記複数の検出単位の各々は、前記第１光伝搬路、前記第２光伝搬路、前記第３光伝搬路、前記第１受光素子、および前記第２受光素子を含む、
   請求項１から５のいずれかに記載の光検出装置。
7. 前記複数の検出単位は、前記第１受光素子および前記第２受光素子が並ぶ第１の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向の少なくとも一方の方向に配列されている、請求項６に記載の光検出装置。
8. 前記複数の検出単位は、千鳥状に配置されている、請求項６に記載の光検出装置。
9. 前記複数の検出単位は、
   前記第１受光素子および前記第２受光素子が第１の方向に並ぶ少なくとも１つの第１検出単位と、
   前記第１受光素子および前記第２受光素子が前記第１の方向に垂直な第２の方向に並ぶ少なくとも１つの第２検出単位と、
   を含む、請求項６から８のいずれかに記載の光検出装置。
10. 第１受光素子および第２受光素子を有する光検出器と、
    前記第１受光素子および前記第２受光素子上に配置された基板であって、対象物からの光を第１受光素子の方向に伝搬させる第１光伝搬路と、前記対象物からの光を前記第２受光素子の方向に伝搬させる第２光伝搬路と、を有する基板と、
    前記第１光伝搬路の一部と前記第２光伝搬路の一部とを結ぶ第３光伝搬路と、
    前記基板と前記光検出器との間において、前記基板に接する透光性の第１層と、
    前記第１層において前記第１受光素子に対向する透光性の第１光結合素子と、
    前記第１層において前記第２受光素子に対向する透光性の第２光結合素子と、
    を備え、
    前記第１光伝搬路は、前記基板において、対象物から前記第１受光素子に向かう光の経路であり、
    前記第２光伝搬路は、前記基板において、対象物から前記第２受光素子に向かう光の経路であり、
    前記第３光伝搬路は、前記第１光結合素子および前記第２光結合素子によって前記第１層内に形成される光導波路である、
    光検出装置。
11. 前記第１受光素子および前記第２受光素子は、第１の方向に並び、
    前記第１光結合素子は、前記第１の方向に垂直な第２の方向に溝を有し、前記第１の方向に配列された複数の透光性の凸部を有する第１グレーティングであり、
    前記第２光結合素子は、前記第２の方向に溝を有し、前記第１の方向に配列された複数の透光性の凸部を有する第２グレーティングである、
    請求項１０に記載の光検出装置。
12. 前記第１グレーティング、前記第２グレーティング、および前記第１層は、同一の材料で構成された単一構造体である、請求項１１に記載の光検出装置。
13. 前記第１受光素子および前記第２受光素子は、空気中の波長がλの光を検出し、
    前記第１グレーティングおよび前記第２グレーティングの各々は、前記波長λよりも小さい周期Λを有する部分を含む、請求項１１または１２に記載の光検出装置。
14. 前記第１層の屈折率をｎ₁、前記基板の屈折率をｎ₂とすると、前記周期Λは、
    λ／ｎ₁＜Λ＜λ／ｎ₂
    を満たす、請求項１３に記載の光検出装置。
15. 前記第１グレーティングおよび前記第２グレーティングの各々は、互いに異なる周期を有する複数の部分を含む、請求項１３または１４に記載の光検出装置。
16. 前記第１グレーティングにおいて前記第２グレーティングに最も近い凸部の頂点もしくは中心と、前記第２グレーティングにおいて前記第１グレーティングに最も近い凸部の頂点もしくは中心との距離は、前記周期Λよりも長い、請求項１５に記載の光検出装置。
17. 前記光検出器は、前記第１グレーティングと前記第２グレーティングとの間のスペース領域に対向する第３受光素子をさらに有する、請求項１６に記載の光検出装置。
18. 前記第１グレーティングおよび前記第２グレーティングにおける各凸部の、前記第２の方向に垂直な断面の形状は、三角形状、台形状、および正弦波形状のいずれかであり、
    ０以上の整数をｉとして、
    １．０８＋ｉ≦ｄ≦１．３１＋ｉ、または
    １．５８＋ｉ≦ｄ≦１．８３＋ｉ
    を満たすｄに関して、
    前記第１グレーティングにおいて前記第２グレーティングに最も近い凸部の頂点もしくは中心と、前記第２グレーティングにおいて前記第１グレーティングに最も近い凸部の頂点もしくは中心との距離は、ｄΛである、
    請求項１７に記載の光検出装置。
19. 前記第１グレーティングおよび前記第２グレーティングにおける各凸部の、前記第２の方向に垂直な断面の形状は、矩形状、角の丸い矩形状、および半円形状のいずれかであり、
    ０以上の整数をｉとして、
    １＜ｄ≦１．２２、または
    １．４６＋ｉ≦ｄ≦２．２２＋ｉ
    を満たすｄに関して、
    前記第１グレーティングにおいて前記第２グレーティングに最も近い凸部の頂点もしくは中心と、前記第２グレーティングにおいて前記第１グレーティングに最も近い凸部の頂点もしくは中心との距離は、ｄΛである、
    請求項１７に記載の光検出装置。
20. 対象物と、前記第１光結合素子および前記第２光結合素子との間に配置され、ＴＥ偏光成分よりもＴＭ偏光成分を多く含む光を前記第１光結合素子および前記第２光結合素子に入射させる偏光素子をさらに備える、請求項１０から１９のいずれかに記載の光検出装置。
21. ２次元的に配列された複数の検出単位を有し、
    前記複数の検出単位の各々は、前記第１層の一部、前記基板の一部、前記第１光結合素子、前記第２光結合素子、前記第１受光素子、および前記第２受光素子を含む、
    請求項１０から２０のいずれかに記載の光検出装置。
22. 前記第１層における前記複数の検出単位の間の領域に溝を有する、請求項２１に記載の光検出装置。
23. 前記第１層における前記複数の検出単位の間の領域上に金属膜を有する、請求項２１に記載の光検出装置。
24. 前記第１層における前記複数の検出単位の間の領域上に、金属膜で覆われた他の光結合素子を有する、請求項２１に記載の光検出装置。
25. 前記複数の検出単位は、前記第１受光素子および前記第２受光素子が並ぶ第１の方向および前記第１の方向に垂直な第２の方向の少なくとも一方の方向に配列されている、請求項２１から２４のいずれかに記載の光検出装置。
26. 前記複数の検出単位は、千鳥状に配置されている、請求項２１から２４のいずれかに記載の光検出装置。
27. 前記複数の検出単位は、
    前記第１受光素子および前記第２受光素子が第１の方向に並ぶ少なくとも１つの第１検出単位と、
    前記第１受光素子および前記第２受光素子が前記第１の方向に垂直な第２の方向に並ぶ少なくとも１つの第２検出単位と、
    を含む、請求項２１から２６のいずれかに記載の光検出装置。
28. 第１の方向に並ぶ第１受光素子および第２受光素子を有する光検出器と、
    前記第１受光素子および前記第２受光素子上に配置された透光性の基板と、
    前記基板と前記光検出器との間において、前記基板に接し、前記基板よりも高い屈折率を有する透光性の第１層と、
    前記第１層において前記第１受光素子に対向する第１グレーティングであって、前記第１の方向に垂直な第２の方向に溝を有し、前記第１の方向に配列された複数の透光性の凸部を有する第１グレーティングと、
    前記第１層において前記第２受光素子に対向する第２グレーティングであって、前記第２の方向に溝を有し、前記第１の方向に配列された複数の透光性の凸部を有する第２グレーティングと、
    を備える光検出装置。
29. 請求項１から２８のいずれかに記載の光検出装置と、
    前記第１受光素子から出力される第１電気信号、および前記第２受光素子から出力される第２電気信号に基づいて、対象物の構造に関する情報を生成して出力する演算回路と、
    を備える光検出システム。
    

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