JP7084020B2 - 分光用デバイス、分光器、及び分光測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、分光用デバイス、分光器、及び分光測定方法に関する。

従来の化学分析などに使用されてきた分光装置は、大型で、測定するために、分光装置が設置された分析室などに測定対象の試料を持ち込む必要があった。近年、測定対象を分析室に持ち込むことなく、現場や任意の場所で分析を行うリアルタイム計測や、所定のエリアの測定及び監視を常時行うモニタリング計測への関心が高まりつつある。関心の高まりに加え、分光器に用いられる光学素子やセンサの設計や製造技術の進展もあって、種々の小型な分光器が提案されている。

例えば、非特許文献１には、回折格子を備えた小型分光器が開示されている。非特許文献１に開示された小型分光器では、側面に入射スリットが形成された箱の内部の所定の位置に、レンズ、ミラー、回折格子、検出器が設けられる。レンズは、入射スリットから筐体の内部に入射して拡散した光をコリメートする。ミラーは、レンズによってコリメートされた入射光を回折格子に向けて反射させる。回折格子は、ミラーによって反射された光を、波長ごとに異なる角度で反射させる。互いに異なる角度で反射された反射光は、試料の互いに異なる位置に照射される。試料に照射された光には、試料の光学情報が加わる。試料の光学情報が付加されかつ試料から透過した光は、検出器に入射する。検出器で検出された光の強度分布と試料に照射する前の光の強度分布との差を得ることにより、試料の光学情報が検出される。

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上述の非特許文献１に開示された小型分光器をはじめ、従来の小型分光器では、複数の波長の光を含む多色光から波長ごとの光を空間内で分離するための波長分離素子として、回折格子（グレーティング）が用いられる。分光器の重要な性能パラメータに「分解能」があるが、波長分離素子として回折格子を用いた場合、高分解能化を図るためには、回折格子のピッチと検出器の単位セルの少なくとも一方を小さくする、又は、回折格子とディテクタとの距離を大きくするという方法がある。回折格子のピッチと検出器の単位セルは現在の製造技術の限界近くまで既に小さくされていると考えると、小型分光器の高分解能化を図るためには、回折格子とディテクタとの距離を大きくしなければならない。そのため、分解能を確保しつつ従来よりもさらなる小型化（以下、超小型化という場合がある）を図る場合、回折格子とディテクタとの距離を確保するために超小型化に限界が生じ、超小型且つ高分解能な分光器の実現が難しいという問題があった。

本発明は、上述の事情を勘案したものであって、小型且つ高分解能な分光器に適用可能な分光用デバイス、該分光用デバイスを備えた分光器、及び該分光器を用いた分光測定方法を提供する。

本発明の分光用デバイスは、受光面を有する板状の傾斜部と、支持部材に固定可能に形成された固定部と、前記傾斜部の外縁端部の少なくとも一部に接続され、前記傾斜部と前記固定部とを接続する接続部と、前記傾斜部の前記受光面と電気的に接続された電極部と、を備える。前記傾斜部、前記固定部、及び前記接続部は半導体基板で構成されている。前記傾斜部は、前記半導体基板と、前記半導体基板に積層されて前記半導体基板との界面でショットキー障壁を構成する金属層と、を有する。前記金属層の前記半導体基板に接する表面とは反対側の表面を受光面として、前記受光面に所定の波長を有する光が入射した際に前記半導体基板と前記金属層との界面にて表面プラズモン共鳴が生じる。前記接続部内の第１回転軸を中心として周方向の所定の角度の範囲で前記傾斜部の傾斜角度が変化し、前記接続部の剛性は前記傾斜部よりも低い。

本発明の分光器は、上述の分光用デバイスと、前記固定部を支持する支持部材と、前記傾斜部の傾斜角度を、前記第１回転軸を中心として周方向の所定の角度の範囲で変更する角度変更機構と、前記受光面に前記所定の波長の光を照射する光源と、を備える。

本発明の分光測定方法は、上述の分光器を用いた分光測定方法であって、前記受光面に照射される前記光の進路上に測定対象の試料が配置されていない状態で、前記傾斜角度を変化させることによって前記受光面への前記所定の波長の光の入射角度を変化させると共に前記受光面に入射する前記光の入射波長を変化させ、前記入射波長ごとの前記受光面に入射する前記光のパワーと前記表面プラズモン共鳴の共鳴角度ごとに前記電極部から出力される光電流値とを得た後、後述する（２）式及び（４）式から、前記分光用デバイスにおける前記入射波長と前記表面プラズモン共鳴が生じる共鳴角度と前記光電流値との関係を示すデバイス特性マトリクスを算出するデバイス特性マトリクス取得工程と、前記受光面に照射される前記光の進路上に前記試料を配置し、前記傾斜角度を変化させることによって前記試料の光学情報を含む光の前記受光面への入射角度を変化させつつ、前記電極部から出力され且つ前記光学情報を含む光電流値を得た後、前記デバイス特性マトリクス取得工程で取得した前記デバイス特性マトリクスと前記光学情報を含む光電流値を要素とする光電流ベクトルとを用いて、後述する（７）式から、前記傾斜部に入射し且つ前記光学情報を含む光の前記入射波長ごとのパワーを要素とする入射光ベクトルを算出する入射光ベクトル算出工程と、入射光ベクトル算出工程で算出した前記入射光ベクトルから前記試料に照射される前の前記光の情報をキャンセルすることによって前記入射光ベクトルに含まれる前記光学情報を取り出す光学情報取得工程と、を備える。

本発明によれば、超小型且つ高分解能な分光用デバイス、分光器、及び該分光用デバイス及び前記分光器を用いた分光測定方法が提供される。

本発明の分光用デバイスの第１実施形態の斜視図である。 図１に示すＣ２－Ｃ２線で矢視した分光用デバイスの断面図である。 図１に示すＣ１－Ｃ１線で矢視した分光用デバイスの断面図である。 図１に示す分光用デバイスの回転部が第１回転軸を中心として片持ち回転する様子を示す斜視図である。 本発明の分光器の第１実施形態の概略図である。 図１に示す分光用デバイス及び分光器における共鳴波長と共鳴角度との関係性の一例を示すグラフである。 図１に示す分光用デバイス及び分光器における入射波長と共鳴角度と光電流値（Responsivity）との関係性の一例を示すグラフである。 本発明の分光用デバイスの第２実施形態の斜視図である。 図８に示す分光用デバイスの回転部が第２回転軸を中心として回転する様子を示す斜視図である。

以下、本発明の分光器の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものである。

（第１実施形態）
表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance：以下、ＳＰＲ）は、誘電体と金属の界面において光を全反射させることで生じるエバネッセント波が金属の表面の自由電子の共鳴振動に結合する現象である。ＳＰＲの共鳴条件は、光の入射角度と波長、金属の誘電率、金属と接する誘電体の誘電率等に依存し、特に誘電体の誘電率の変化により敏感に変化する。そのため、ＳＰＲは金属膜の表面の化学物質の密度を誘電体の変化として捉えられ、化学的測定又は生物学的測定やこれらの測定時に使用するセンサ等に用いられる。

［分光用デバイス及び分光器の構成］
図１に示すように、本発明の第１実施形態の分光用デバイス５５は、受光面ＲＳを有す
る板状の回転部（傾斜部）５５Ｂと、回転部５５ＢにおいてＸ方向（第１方向）に沿う外周端縁５ｒに接続され、支持部材８０に固定可能に形成された固定部５５Ａと、受光面Ｒ Ｓに電気的に接続された電極部３０と、を備える。分光用デバイス５５は、ＳＰＲに基づいて光Ｌｉｎに含まれる光学情報を光電流値の変化に変換し、分光用デバイス５５を支持する支持部材８０と併せて分光機能部９０を構成する。

回転部５５Ｂは、接続部６２を介して固定部５５Ａに接続され、Ｘ方向に沿う第１回転軸を中心に回転する。後述するように、受光面ＲＳに所定の波長の光Ｌ_ｉｎが照射されると、ＳＰＲが生じる。但し、第１回転軸は、平面視で接続部６２内の任意の位置にあるので、図１に示していない。上述の任意の位置は、接続部６２の形状や半導体基板５の剛性によって、適宜決定される。

固定部５５Ａ及び回転部５５Ｂは、共通の半導体基板５で構成される。図２に示すように、受光面ＲＳの半導体基板５の表面５ａには、Ｘ方向に平行な回折格子が形成される。また、受光面ＲＳにおける半導体基板５の表面５ａには、金属層１０が積層される。なお、図２の断面図は、回折格子の構成を模式的に表現したものであり、格子の寸法や繰り返し数などは実際の構成と異なる。

半導体基板５は、後述する電極部３０を構成する役割も担い、例えばｎ型シリコン（Ｓｉ）で構成される。半導体基板５上の第２電極３４の下部には、不純物がドーピングされていることが好ましい。不純物は、ｎ型半導体のドーパントとして公知なドーパントであり、例えばリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等である。ドープ濃度は、例えば１０^２０atoms／cm^３程度である。第２電極３４は、半導体基板５の裏面５ｂに設けられてもよい。この場合には、半導体基板５の裏面５ｂ側に不純物がドーピングされていることが好ましい。その場合のドープ濃度は、後述する第２のショットキー障壁の高さ等を考慮して適宜調整される。半導体基板５の厚さが数１００μｍ程度である場合、不純物がしみ込む深さは、例えば１００ｎｍ程度で構わない。

金属層１０は、半導体基板５との界面８でショットキー障壁を構成し、所定の波長の光が照射された際にＳＰＲを起こす。金属層１０の形状が分光用デバイス５５における共鳴条件を決める。本実施形態の金属層１０は、略均一な厚みを有し、受光面ＲＳの半導体基板５の表面５ａの複数の凹凸（回折格子）を覆う。金属層１０の厚みは、例えば０．１μｍである。このような構成では、光Ｌ_ｉｎが照射されることによって金属層１０の表面１０ａの電子が励起され、Ｘ方向（又は、Ｘ方向とは逆の方向）に沿って伝搬する電子の共鳴波が生じる。金属層１０は、例えば金（Ａｕ）で構成される。

以下、受光面ＲＳを含む平面内でＸ方向に直交する一方向をＹ方向とし、Ｘ方向及びＹ方向に直交する一方向をＺ方向（受光面ＲＳの上下方向）とする。回転部５５Ｂの半導体基板５は、所謂カンチレバー構造になっており、図３に示すように、側面視において、第１回転軸を中心として受光面ＲＳの上下方向（Ｚ方向）に片持ち回転する。

第１実施形態の接続部６２は、接続基端部６２Ｃと、第１接続分岐部６２Ａと、第２接続分岐部６２Ｂで構成される。接続基端部６２Ｃは、回転部５５Ｂの外周端縁５ｒの中央部から、Ｙ方向の後方に延びる。第１接続分岐部６２Ａと第２接続分岐部６２Ｂは、接続基端部６２ＣのＹ方向の後方の端部から互いに離れる方向へ蛇腹状に折り返しつつ延び、接続箇所５８で固定部５５Ａの端縁５７接続する。接続箇所５８の固定部５５Ａの端縁５７は、回転部５５Ｂの外周端縁５ｒにおけるＸ方向の両端Ｄ１，Ｄ２に対向する。

図４に示すように、第１接続分岐部６２Ａ及び第２接続分岐部６２Ｂは、接続箇所５８から接続基端部６２Ｃに向かって、長辺部Ｅ１，…，Ｅｎ（ｎは２以上の自然数）と、短辺部Ｆ１，…，Ｆｍ（ｍは２以上の自然数）とが交互に連結することによって構成される。例えば、回転部５５Ｂに対して下から上に向かう力が付与されると、回転部５５Ｂが図４の二点鎖線で描かれた初期位置から実線で描かれた位置へと片持ち回転する。この際、長辺部Ｅ１，…，ＥｎのＺ方向の変位は、ｎが大きくなるほど増大するように変化する。図示していないが、回転部５５Ｂに対して上から下に向かう力が付与されると、長辺部Ｅ１，…，ＥｎのＺ方向の変位は、ｎが大きくなるほど減少するように変化する。

長辺部Ｅ１，…，ＥｎのそれぞれのＸ方向に沿った幅、短辺部Ｆ１，…，ＦｍのそれぞれのＹ方向に沿った幅、及び接続基端部６２ＣのＸ方向に沿った幅は、固定部５５ＡのＸ方向に沿った幅より小さい。

第１接続分岐部６２Ａ及び第２接続分岐部６２Ｂのそれぞれの長辺部Ｅ１，…，Ｅｎ及び短辺部Ｆ１，…，Ｆｍの変位の変化によって、接続部６２は、全体的に柔軟にたわむ。第１実施形態では、接続部６２のたわみの度合いは、主に、接続部６２を構成する半導体基板５の剛性に依存する。接続部６２のたわみの度合いを高める点では、接続部６２の剛性（撓りやすさ）は適度に低い方が好ましい。一方で、後述するように回転部５５Ｂを一定の時間周期で第１回転軸を中心に片持ち回転させる際に、経過時間と回転部５５Ｂの回転角度との相関関係を再現性良く保持する点では、回転部５５Ｂの剛性は適度に高い方が好ましい。

また、接続部６２は回転部５５Ｂより薄く形成されてもよい。接続部６２が回転部５５Ｂより薄いことによって、回転部５５Ｂの剛性は接続部６２の剛性より低くなるので、回転部５５Ｂはたわみにくくなり、接続部６２は回転部５５Ｂよりたわみやすくなる。

電極部３０は、金属層１０から半導体基板５の表面５ａの受光面ＲＳ以外の領域に延設された第１電極３２と、金属層１０とは非接触状態で半導体基板５の表面５ａの受光面ＲＳ以外の領域に延設された第２電極３４と、第１電極３２の上面に設けられた端子３３と第２電極３４の上面に設けられた端子３５とを互いに連結する回線３６と、を有する。金属層１０と半導体基板５で生じた光電流（Ｉ_ＳＣ）は、回線３６に設けられた電流計３８やモニタ等に表示可能とされている。

第１電極３２は、接続部６２に対向する金属層１０の外周端の一部から接続部６２に延び、接続部６２の上面に沿って設けられ、固定部５５Ａの上面に至る。詳しくは、第１電極３２は、金属層１０と接続部６２との間の回転部５５Ｂの表面、接続基端部６２Ｃの表面、第１接続分岐部６２Ａの表面、固定部５５Ａの表面をこの順になぞるように設けられる。端子３３は、固定部５５Ａの表面の第１電極３２の上面に設けられる。第１電極３２は、例えば、金（Ａｕ）で構成される。本実施形態では、第１電極３２は、金属層１０と同じＡｕで一体的に形成されている。

第２電極３４は、回転部５５Ｂの表面において受光面ＲＳとは異なる領域から接続部６２に延び、接続部６２の上面に沿って設けられ、固定部５５Ａの上面に至る。詳しくは、第２電極３４は、受光面ＲＳとは異なる領域の回転部５５Ｂの表面から、金属層１０と接続部６２との間の回転部５５Ｂの表面、接続基端部６２Ｃの表面、第２接続分岐部６２Ｂの表面、固定部５５Ａの表面をこの順になぞるように設けられる。端子３５は、固定部５５Ａの表面の第２電極３４の上面に設けられる。第２電極３４は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）で構成される。

支持部材８０は、固定部５５Ａの半導体基板５に接続する本体８２と、平面視において本体８２からＹ方向の前方に突出する囲み部８４とを備える。囲み部８４は、本体８２と同じ厚さを有し、回転部５５Ｂの半導体基板５の外周端縁に対して隙間をあけて、回転部５５Ｂの半導体基板５を囲むように形成される。言い換えれば、囲み部８４は、Ｚ方向に貫通する貫通孔８６を有する。回転部５５Ｂの半導体基板５は、貫通孔６５で第１回転軸を中心に片持ち回転する。第一実施形態では、分光用デバイス５５の半導体基板５と、支持部材８０が一体として、共通のｎ型シリコン（ｎ型半導体）で構成される。

図５に示すように、第１実施形態の分光器１００は、分光機能部９０と、分光用デバイス５５の受光面ＲＳに光Ｌ_ｉｎを照射する光源１１０と、入射した光Ｌｉｎから所定の偏光の向きの光Ｌ_ｉｎを出射する偏光板１２０と、回転部５５Ｂを片持ち回転させる回転機構（角度変更機構）１３０とをさらに備える。また、端子３３と電流計３８との間の回線３６に、増幅器１５０が設けられる。

光源１１０は、分光器１００を用いて測定対象の試料Ｗの光学情報を取得するために必要とされる波長領域（以下、ターゲット波長領域とする）の光Ｌ_ｉｎを出射する。光源１１０には、ターゲット波長領域内の波長λ_１～λ_ｎの多色光を出射可能な多色光源が用いられる。ターゲット波長帯域が可視波長域（約３８０ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長域）である場合は、光源１１０として、白色光源が好適である。

光Ｌ_ｉｎの進行方向において、光源１１０と偏光板１２０との間に、不図示のコリメートレンズが設けられることが好ましい。コリメートレンズが設けられることによって、光源１１０から発せられた光Ｌ_ｉｎが平行光になり、回転部５５Ｂへの光Ｌ_ｉｎの入射角度が一定になる。また、伝搬距離によらず光Ｌ_ｉｎのビーム径及び単位面積あたりの光強度が略一定になる。

偏光板１２０は、入射した光Ｌ_ｉｎから例えばＴＭ偏波モードの光Ｌ_ＴＭのみを透過する。

第１実施形態の回転機構１３０は、第１回転軸を中心として回転部５５Ｂを片持ち回転させるための音波を出力するスピーカー１４０を備える。スピーカー１４０は、第１回転軸を中心として回転部５５Ｂの半導体基板５を片持ち回転させるための音波をＺ方向に沿って出力する。スピーカー１４０から発せられる音波の周波数は、不図示の制御機構等によって所望の周波数に制御される。試料（測定対象）Ｗは、光Ｌ_ＴＭの進行方向において偏光板１２０と分光用デバイス５５との間に、且つ光Ｌ_ＴＭの進路上に配置される。

［分光用デバイスの原理］
分光用デバイス５５では、端子３３と半導体基板５、及び、端子３５と半導体基板５がそれぞれ、金属層１０を介して電気的に接続されていることで、エネルギーバンド構造ができている。金属層１０と半導体基板５との接合による界面８には、ショットキー障壁が形成されるため、金属層１０において光Ｌ_ｉｎが照射される前の励起されていない自由電子は、ショットキー障壁を越えることができず、金属層１０の内部に溜まる。

金属層１０に光Ｌ_ｉｎが照射されると、金属層１０の表面１０ａでＳＰＲ（図２に示す共鳴Ｓ）が起きる。金属層１０の内部の自由電子は励起され、ショットキー障壁を乗り越え、金属層１０（すなわち、第１電極３２及び端子３３）から半導体基板５に向かう方向に拡散する。ショットキー障壁を越えた自由電子が光電流として端子３５から検出される。つまり、金属層１０と半導体基板５との界面８は、フォトダイオードのように機能する。

［分光器の原理］
先ず、分光用デバイス５５に特有の光Ｌ_ＴＭの波長と共鳴角度θ_ＳＰＲと光電流値Ｉ_θＳＰＲとの相関関係について説明する。上述の原理に基づいて動作する分光用デバイス５５では、ＴＭ偏波モードの光Ｌ_ＴＭの入射波長λによってＳＰＲが起こる共鳴角度θ_ＳＰＲが異なる。このことをふまえ、入射波長λをターゲット波長領域内で変化させ、各入射波長λにおいて、光Ｌ_ＴＭが金属層１０に表面１０ａ側（すなわち、Ｚ方向において金属層１０の半導体基板５とは反対側）から入射したときの入射角度θ_ｉｎと電極部３０に出力される光電流値Ｉ_θＳＰＲとの関係性を得る。

具体的には、回転部５５Ｂが片持ち回転すると、図３に示すように、受光面ＲＳの半導体基板５の表面５ａと固定部５５Ａの半導体基板５の表面５ａとがなす挟角γが変化する。光源１１０の位置が固定されているので、挟角γの変化に応じて、分光用デバイス５５に入射する光Ｌ_ＴＭの入射角度θ_ｉｎが半導体基板５の表面５ａの法線Ｐを基準として変化する。そこで、試料Ｗを配置しない状態での実際の測定、又は、数値シミュレーション等によって、挟角γと光Ｌ_ＴＭの入射波長λと光電流値Ｉ_θｉｎとの関係性を得る。

受光面ＲＳにおける回折格子の形状パラメータ（例えば、回折格子のピッチ等）及び物性パラメータ（金属層１０の誘電率等）は測定前に既知であるので、共鳴角度θ_ＳＰＲとその共鳴角度θ_ＳＰＲで共鳴する入射波長λとの相関関係は明らかである。例えば、図６は、受光面ＲＳにおける回折格子のピッチが３．２μｍであり、光Ｌ_ＴＭの回折次数が－３である場合の入射波長λと共鳴角度θ_ＳＰＲとの関係を示す。

前述のように得られた挟角γと光Ｌ_ＴＭの入射波長λと光電流値Ｉ_θｉｎとの関係性から、挟角γと入射角度θ_ｉｎとの幾何学的な関係、及び、入射角度θ_ｉｎごとに、該入射角度θ_ｉｎと同じ共鳴角度θ_ＳＰＲとその共鳴角度θ_ＳＰＲが発現する入射波長λ_ＳＰＲとの相関関係に基づいて、図７に例示する共鳴角度θ_ＳＰＲと入射波長λと光電流値（すなわち、光電流値Ｉ_θｉｎ）との関係性を得る。なお、図７では、ターゲット波長領域のうち、入射波長λ_１，λ_２，λ_３の結果のみを例示する。図７に示すように、各波長λ_１，λ_２，λ_３において、共鳴角度θ_ＳＰＲ１，θ_ＳＰＲ２，θ_ＳＰＲ３で光電流値（Responsivity）のピークがみられる。

ここで、共鳴角度θ_ＳＰＲ１における各波長λ_１，λ_２，λ_３の光電流値の相対値をＭＲと表す。Ｍは、共鳴角度θ_ＳＰＲ１における波長λ_３の光電流値Ｒに対する相対倍率である。例えば、共鳴角度θ_ＳＰＲ１における各波長λ_１，λ_２，λ_３の光電流の相対値として、１８Ｒ，２Ｒ，Ｒが得られる。同様に、共鳴角度θ_ＳＰＲ２における各波長λ_１，λ_２，λ_３の光電流の相対値として、４Ｒ，１２Ｒ，Ｒが得られる。また、共鳴角度θ_ＳＰＲ１における各波長λ_１，λ_２，λ_３の光電流の相対値として、４Ｒ，２Ｒ，８Ｒが得られる。

図６に例示した共鳴角度θ_ＳＰＲと入射波長λと光電流値との関係性から、分光用デバイス５５の感度マトリクスＲが得られる。感度マトリクスＲは、分光用デバイス５５の特性を示し、（１）式で表される。

（１）式で表される感度マトリクスＲを、ターゲット波長領域全体に一般化し、デバイス特性マトリクスＲ´を得る。具体的には、（１）式の左辺の第１行第一列の項；１８Ｒを、ターゲット波長領域内の最も短い波長λ_１の共鳴角度θ_ＳＰＲ１における光電流値Ｒ_{λ１θＳＰＲ１}とする。同様に、波長をλ_１からターゲット波長領域内の最も長い波長λ_ｎまで拡げると共に、共鳴角度をθ_ＳＰＲ１からθ_ＳＰＲｎ（ｎは２以上の自然数）まで拡げることによって、（２）式で表されるデバイス特性マトリクスＲ₀が得られる。

図５に示す分光器１００においてスピーカー１４０から所定の周波数の音波を出力することで、音波の周波数に応じて、図２に示すように、分光用デバイス５５が矢印Ｔのように振動し、回転部５５Ｂが第１回転軸を中心として片持ち回転する。回転部５５Ｂが回転周期を一定として片持ち回転すると、挟角γ及び光Ｌ_ＴＭの入射角度θ_ｉｎが時間ｔに応じて変化する。すなわち、共鳴角度θ_ＳＰＲが時間ｔの関数として換算され、（２）式のデバイス特性マトリクスＲ´は次に示す（３）式のデバイス特性マトリクスＲ_ｔとして表される。なお、（３）式のデバイス特性マトリクスＲ_Ｔでは、時間ｔ_０から時間ｔ_ｎまでの経過時間が回転部５５Ｂの回転の一周期の時間に相当する。

次いで、図５に示すように試料Ｗを配置した構成において、実際に測定等で得られる光電流値から入射スペクトルを算出する原理について説明する。

分光器１００において、試料Ｗを配置し、光源１１０から光Ｌ_ｉｎを出射するとともに、スピーカー１４０から所定の周波数の音波を出力することで、音波の周波数に応じて、時間ｔの変化に対する光電流値Ｉ_ｔが得られる。前述のように、時間ｔと光Ｌ_ＴＭの入射角度θ_ｉｎとの間に相関関係があるので、光電流値Ｉ_ｔは光電流値Ｉ_θＳＰＲに換算可能である。時間ｔ_０から時間ｔ_ｎまでの光電流値Ｉ_ｔ，Ｉ_θＳＰＲを要素として有する光電流ベクトルＩを考える。

また、試料Ｗを透過した光Ｌ_ＴＭの波長λ_１，λ_２，λ_３，…，λ_ｎごとのパワーを要素Ｐ_λ１，Ｐ_λ２，Ｐ_λ３, …，Ｐ_λｎと表し、これらの要素を有する入射光ベクトルＰを考える。入射光ベクトルＰは、試料Ｗの光学情報を含む。光電流ベクトルＩは、感度マトリクスＲ及び入射光ベクトルＰによって（４）式及び（５）式のように表される。

感度マトリクスＲ及びデバイス特性マトリクスＲ₀，Ｒ_ｔはそれぞれ正則であり、逆行列Ｒ^－１，Ｒ₀ ^－１，Ｒ_ｔ ^－１を有する。入射光ベクトルＰは、感度マトリクスＲ又はデバイス特性マトリクスＲ₀及び光電流ベクトルＩから、（６）式及び（７）式のように得られる。

第１実施形態の分光器１００のように、共鳴角度θ_ＳＰＲを回転部５５Ｂの片持ち回転の時間ｔに置き換え可能な場合は、入射光ベクトルＰは、デバイス特性マトリクスＲ_ｔ及び光電流ベクトルＩから、（８）式のように得られる。

（７）式又は（８）式によって入射光ベクトルＰが得られれば、入射光ベクトルＰから試料Ｗに照射される前の光Ｌ_ＴＭの情報をキャンセルすることによって、入射光ベクトルＰに含まれる試料Ｗの光学情報を取り出すことができる。試料Ｗに照射される前の光Ｌ_ＴＭの情報は、光電流値Ｉ_ｔ，Ｉ_θＳＰＲを測定する前に、試料Ｗを光Ｌ_ＴＭの進路から外すことによって取得できる。

［分光用デバイス及び分光器を用いた分光測定方法］
第１実施形態の分光用デバイス５５及び分光器１００を用いた分光測定方法（以下、単に「分光測定方法」と記載する場合がある。）は、デバイス特性マトリクスを取得するデバイス特性マトリクス取得工程と、得られたデバイス特性マトリクス及び光電流ベクトルに基づいて入射光ベクトルを算出する入射光ベクトル算出工程とを備える。

＜デバイス特性マトリクス取得工程＞
先ず、図５に示す分光器１００の構成において、試料Ｗを光Ｌ_ＴＭの進路上から外す。スピーカー１４０から所定の周波数の音波を出力させ、分光用デバイス５５の回転部５５Ｂを一定の周期で第１回転軸を中心に片持ち回転させる。同時に、光源１１０からターゲット波長領域の最も低い波長λ_１の光Ｌ_ｉｎを出射させ、端子３３，３５から出力される光電流値Ｉ_θｉｎを測定する。回転部５５Ｂの回転周期に基づき、時間ｔと光Ｌ_ＴＭの入射角度θ_ｉｎと入射波長λ_１と共鳴角度θ_ＳＰＲと光電流値Ｉ_θｉｎの関係から、波長λ_１における光電流値Ｉ_θｉｎの入射角度θ_ｉｎの依存性（すなわち、図６に例示した「λ_１」のグラフ）を得る。

光源１１０から出射させる光Ｌ_ｉｎの波長をターゲット波長領域内の波長λ_２から波長λ_ｎ（ｎは２より大きい自然数）まで順次変化させる。その際、上述の入射波長λ_１の場合と同様に、時間ｔ・光Ｌ_ＴＭの入射角度θ_ｉｎ・入射波長λ_２～λ_ｎ・共鳴角度θ_ＳＰＲ・光電流値Ｉ_θｉｎの関係から、入射波長λ_２～λ_ｎのそれぞれにおける光電流値Ｉ_θｉｎの入射角度θ_ｉｎの依存性（すなわち、図６に例示した「λ_２」や「λ_３」のグラフを含む）を得る。このようにして得られたターゲット波長領域λ_１～λ_ｎのそれぞれにおける光電流値Ｉ_θｉｎ（Responsivity）の入射角度θ_ｉｎの依存性から、前述の（２）式及び（３）式で表されるデバイス特性マトリクスＲ_０，Ｒ_ｔを取得する。

なお、本工程において光源１１０から出射させる光Ｌ_ｉｎの波長をターゲット波長領域内の波長λ_１～λ_ｎに変化させる方法としては、例えば光源１１０として多色光源を用いると共に、光Ｌ_ｉｎの進行方向において、光源１１０とコリメートレンズとの間に、波長選択フィルタを設けることができる。

＜入射光ベクトル取得工程＞
次に、図５に示す分光器１００の構成において、試料Ｗを光Ｌ_ＴＭの進路上に配置する。
スピーカー１４０から所定の周波数の音波を出力させ、分光用デバイス５５の回転部５５Ｂを一定の周期で第１回転軸を中心に片持ち回転させる。同時に、多色光源である光源１１０から波長λ_１～λ_ｎの光Ｌ_ｉｎを出射させ、端子３３，３５から出力される光電流値Ｉ_θｉｎを測定する。この作業により、回転部５５Ｂの回転開始からの経過時間に応じた光Ｌ_ｉｎの入射角度θ_ｉｎと光電流値Ｉ_θｉｎとの関係がわかり、入射角度θ_ｉｎと同じ共鳴角度θ_ＳＰＲでプラズモン共鳴する共鳴波長と光電流値Ｉ_θＳＰＲとの関係が得られる。つまり、測定された光電流値Ｉ_θｉｎから、前述の（４）式の左辺に示すようにＩ_{θＳＰＲ１}，Ｉ_{θＳＰＲ１}，…，Ｉ_{θＳＰＲｎ}の要素を有する光電流ベクトルＩを算出する。すなわち、入射光ベクトル取得工程では、離散的な共鳴角度θ_ＳＰＲごとの回転位置で光電流の計測を行い、光電流ベクトルＩを作成する。

続いて、デバイス特性マトリクスＲ_０，Ｒ_ｔのぞれぞれの逆行列Ｒ_０ ^－１，Ｒ_ｔ ^－１を算出する。算出した逆行列Ｒ_０ ^－１，Ｒ_ｔ ^－１及び光電流ベクトルＩから、前述の（７）式及び（８）式によって入射光ベクトルＰを算出する。入射光ベクトルＰに含まれる試料Ｗの光学情報を検出すると、分光用デバイス５５及び分光器１００を用いた分光測定方法は完了する。

上述したように、第１実施形態の分光用デバイス５５は、受光面ＲＳを有する板状の回転部５５Ｂと、支持部材８０に固定可能に形成された固定部５５Ａと、回転部５５Ｂの外縁端部５ｒの少なくとも一部に接続され、回転部５５Ｂと固定部５５Ａとを接続する接続部６２と、回転部５５Ｂの受光面ＲＳと電気的に接続された電極部３０と、を備える。回転部５５Ｂは、受光面ＲＳの上下方向（Ｚ方向）に回転する。受光面ＲＳに所定の波長の光Ｌ_ｉｎが照射された際には、表面プラズモン共鳴が生じる。

分光用デバイス５５によれば、分光測定対象の試料Ｗの光学情報が含まれた光Ｌ_ｉｎが受光面ＲＳに照射されると、光Ｌ_ｉｎの入射波長λと入射角度θ_ｉｎに応じた表面プラズモン共鳴の応答の大きさが、電極部３０の第１電極３２及び第２電極３４から取り出される光電流値Ｉ_θｉｎとして検出される。分光用デバイス５５によれば、固定部５５Ａは支持部材８０に固定された状態で、且つ回転部５５ＢはＺ方向に回転する。回転部５５ＢがＺ方向に回転する分光用デバイス５５の受光面ＲＳに定位置から試料Ｗの光学情報を含む所定の入射波長の光Ｌ_ｉｎが入射すると、入射角度θ_ｉｎの変化に応じた光電流値Ｉ_θｉｎが検出される。予め、受光面ＲＳに入射する光の入射波長λ_θＳＰＲと共鳴角度θ_ＳＰＲと光電流値Ｉ_θＳＰＲの相対関係が得られていれば、実際に検出された光電流値Ｉ_θＳＰＲの変化と予め得られた入射波長λ_θＳＰＲと共鳴角度θ_ＳＰＲと光電流値Ｉ_θＳＰＲの相対関係との対応を調べることによって、試料Ｗの光学情報が得られる。また、本構成では、波長分解能は回転部５５Ｂの回転角度γの分解能に依存するので、従来の分光器における回折格子とディテクタとの距離のように構成要素同士の離間距離を大きくしなくても、容易に高分解能化を図ることができる。従って、分光用デバイス５５は、小型且つ高分解能な分光器に適用できる。

また、第１実施形態の分光用デバイス５５は、回転部５５Ｂは、受光面ＲＳ外にあり且つ受光面ＲＳに平行なＸ方向に沿う第１回転軸を中心に回転する。

分光用デバイス５５によれば、分光用デバイス５５によれば、固定部５５Ａは支持部材８０に固定された状態で、且つ回転部５５Ｂは第１回転軸を中心としてＺ方向に片持ち回転する。回転部５５Ｂが片持ち回転することによって、限られた空間内で回転部５５Ｂの受光面ＲＳの回転角度γのふれ幅を大きくすることができる。回転角度γのふれ幅を大きくすることによって、共鳴角度θ_ＳＰＲの検出可能範囲を拡大し、共鳴角度θ_ＳＰＲと相関関係を有する入射波長λ_θＳＰＲの検出可能範囲も拡大できる。つまり、回転部５５Ｂが片持ち回転することによって、分光用デバイスの小型化を図りつつ、ターゲット波長領域を広く確保できる。

すなわち、第１実施形態の分光用デバイス５５によれば、同じスペース内であれば、片持ち回転せずに平面視で回転軸を含む回転部を備えた構成に比べて、回転部５５Ｂの回転角度γを大きく確保できる。分光測定時の分解能は、共鳴角度θ_ＳＰＲの検出間隔によって調整でき、入射角度θ_ｉｎの検出間隔を最小限に調整できる。したがって、第１実施形態の分光用デバイス５５によって、超小型化と高分解能化を両立できる。

また、第１実施形態の分光用デバイス５５では、接続部６２は、固定部５５Ａより小さい幅を有し、回転部５５Ｂの外周端縁５ｒと固定部５５Ａの回転部５５Ｂ側の端縁５７との間を蛇腹状に折り返しつつ延びる。具体的には、接続部６２は、蛇腹状に形成された第１接続分岐部６２Ａ及び第２接続分岐部６２Ｂを備える。このことによって、回転部５５ＢがＺ方向に回転する際に、長辺部Ｅ１，…，Ｅｎ及び短辺部Ｆ１，…，Ｆｍが適宜変位し、接続部６２を全体的に柔軟にたわませることができる。この場合、回転部５５Ｂの回転角度γの精度を高めるために回転部５５Ｂの剛性を高くしても、接続部６２の柔軟な撓りによって、回転角度γの変化を大きくし、回転部５５Ｂを柔軟に回転させることができる。

また、第１実施形態の分光用デバイス５５では、接続部６２は回転部５５Ｂより薄くてもよい。接続部６２と回転部５５Ｂが同じ素材（第１実施形態では、半導体基板５）で構成されていれば、回転部５５Ｂを接続部６２より撓りにくくし、且つ第１回転軸を中心として回転部５５Ｂが片持ち回転する際に、接続部６２をより柔軟に撓らせることができる。

また、第１実施形態の分光用デバイス５５では、受光面ＲＳは、半導体基板５と、半導体基板５に積層され、且つ半導体基板５との界面８でショットキー障壁を構成し、所定の波長の光Ｌ_ｉｎが照射された際にＳＰＲを起こす金属層１０とを備える。電極部３０は、金属層１０に電気的に接続される。このような構成によれば、光Ｌ_ｉｎが金属層１０の表面側から受光面ＲＳに照射されると、ＳＰＲが起き、金属層１０の内部の自由電子は励起され、半導体基板５と金属層１０とのショットキー障壁を乗り越えて拡散する。すなわち、光Ｌ_ｉｎが受光面ＲＳに入射した際に、光Ｌ_ｉｎの入射角度θ_ｉｎに応じて、入射角度θ_ｉｎと同じ共鳴角度θ_ＳＰＲに対する光電流Ｉ_θＳＰＲを電極部３０から検出できる。

第１実施形態の分光器１００は、分光用デバイス５５と、固定部５５Ａを支持する支持部材８０と、回転部５５Ｂを上下方向に回転させる回転機構１３０と、受光面ＲＳに所定の波長の光Ｌ_ｉｎを照射する光源１１０とを備える。第１実施形態の分光器１００では、回転機構１３０によって回転部５５Ｂを上下方向に回転させつつ、光源１１０から光Ｌ_ｉｎを受光面ＲＳに照射できる。このことによって、前述のように受光面ＲＳに定位置から試料Ｗの光学情報を含む光Ｌ_ｉｎが入射すると、入射角度θ_ｉｎの変化に応じた光電流値Ｉ_θｉｎを検出できる。また、第1実施形態の分光器１００では、回転部５５Ｂを上下方向に回転させる回転機構１３０が具備されるので、小型化を容易に図ることができる。

また、第１実施形態の分光用デバイス５５は、光源１１０から出射された光Ｌ_ｉｎをコリメートし、受光面ＲＳに照射するコリメートレンズを備えてもよい。光Ｌ_ｉｎをコリメートすることによって、伝搬距離によらずに光Ｌ_ｉｎの入射角度θ_ｉｎ及びビーム径を略一定にすることができる。このことによって、受光面ＲＳに対する第１回転軸の相対位置等によらず、所定の波長の光Ｌ_ｉｎを受光面ＲＳに安定して照射できる。

第１実施形態の回転機構１３０は、第１回転軸を中心として回転部５５ＢをＺ方向に回転させるための音波を出力するスピーカー１４０を備える。音波で回転部５５Ｂを上下方向に回転させられれば、スピーカー１４０を分光機能部９０の付近に設けることができ（図５参照）、且つ分光機能部９０及びスピーカー１４０を全体的に動かす移動機構は不要になるので、分光器１００の小型化を図ることができる。

第１実施形態の分光測定方法は、回転角度γを変化させることによって回転部５５Ｂへの光Ｌ_ｉｎの入射角度θ_ｉｎを変化させると共に光Ｌ_ｉｎの入射波長λを変化させつつ、電極部３０から出力される光電流値Ｉ_θｉｎを得た後、入射波長λと入射角度θ_ｉｎと光電流値Ｉ_θｉｎとの関係から、入射波長λと共鳴角度θ_ＳＰＲと光電流値Ｉ_θＳＰＲとの関係を示すデバイス特性マトリクスＲ_０を取得するデバイス特性マトリクス取得工程と、回転角度γを変化させることによって試料Ｍの光学情報を含む光Ｌ_ｉｎの回転部５５Ｂへの入射角度θ_ｉｎを変化させつつ、電極部３０から出力され且つ光学情報を含む光電流値Ｉ_θｉｎ，Ｉ_θＳＰＲを得た後、デバイス特性マトリクスＲ_０と光学情報を含む光電流値Ｉ_θｉｎ，Ｉ_θＳＰＲを要素とする光電流ベクトルＩとを用いて、回転部５５Ｂに入射し且つ光学情報を含む光Ｌ_ｉｎの入射波長λごとのパワーを要素とする入射光ベクトルＰを算出する入射光ベクトル算出工程とを備える。

第１実施形態の分光測定方法では、デバイス特性マトリクス取得工程において、所定の光Ｌ_ｉｎの入射角度θ_ｉｎ、共鳴角度θ_ＳＰＲ、共鳴波長λ_ｎ及びその他の波長λにおける光電流値Ｉ_θＳＰＲ同士の相対関係がデバイス特性マトリクスＲ_０として得られる。入射光ベクトル算出工程では、分光用デバイス５５の回転部５５Ｂを片持ち回転させつつ測定された光電流値Ｉ_θＳＰＲから、デバイス特性マトリクスＲ_０に基づいて試料Ｗの光学情報を含む入射光ベクトルＰを逆算できる。算出された入射光ベクトルＰから、試料の光学情報を取り出すことができる。

第１実施形態の分光測定方法では、デバイス特性マトリクス取得工程及び入射光ベクトル算出工程において、第１回転軸を中心として回転部５５Ｂを一定の時間周期で回転させることによって、回転角度γ・入射角度θ_ｉｎ・共鳴角度θ_ＳＰＲを回転部５５Ｂの回転時間に換えて変化させる。第1実施形態の分光測定方法では、回転角度γと共鳴角度θ_ＳＰＲとの関係が、時間（即ち、回転部の片持ち回転開始からの経過時間）ｔと共鳴角度θ_ＳＰＲとの関係に置き換えられる。また、光電流値Ｉ_θＳＰＲ及びデバイス特性マトリクスＲ_ｔにそれぞれ時間の要素が付加される。このように時間ｔをパラメータとして用いることによって、回転部５５Ｂの片持ち回転に関係するパラメータ以外の制御パラメータを少なくし、より簡潔に分光測定を行うことができる。

（第２実施形態）
次いで、本発明を適用した第２実施形態の分光用デバイスについて説明する。図８に示す分光用デバイス５６及び分光機能部９２の構成要素において、第１実施形態の分光用デバイス５６及び分光機能部９０の構成要素と同一のものについては、同一の符号を付し、その説明を省略する。

第２実施形態では、図８に示すように、受光面ＲＳにおける半導体基板５の表面５ａに、Ｘ方向に加えてＹ方向に延びる回折格子が形成される。したがって、ＴＭ偏波モードに加えてＴＥ偏波モードの光Ｌ_ｉｎが受光面ＲＳに入射すると、ＳＰＲが発生し、ＴＭ偏波モード及びＴＥ偏波モードに起因する光電流Ｉ_ＳＣが検出可能になる。

第２実施形態では、平面視において、受光面ＲＳ内に、第１回転軸に直交する回転軸（第２回転軸）Ａ２がある。回転部５６Ｂは第１回転軸及び回転軸Ａ２を中心として回転する。図９に示すように、例えば、回転軸Ａ２よりＹ方向の前方の回転部５６Ｂに対して下側から上側に向かう力が付与されると、回転部５６Ｂが図９の二点鎖線で描かれた初期位置から実線で描かれた位置へ回転する。この際、接続部３６の全体がＹ方向に沿って波形を描くように変位する。

図示していないが、回転軸Ａ２よりＹ方向の前方の回転部５６Ｂに対して上側から下側に向かう力が付与され、回転部５６Ｂが回転する場合も、接続部３６の全体がＹ方向に沿って上述の場合と逆の波形を描くように変位する。長辺部Ｅ１，…，Ｅｎ及び短辺部Ｆ１，…，Ｆｍのそれぞれが前述のように変位することによって、接続基端部６２Ｃは回転軸Ａ２を中心として回転するので、接続基端部６２Ｃに連結する回転部５６Ｂは円滑に回転する。

図示していないが、第２実施形態の分光器は、第１実施形態の分光器１００の分光機能部９０を分光機能部９２に置き換えたものである。

分光用デバイス５６及び第２実施形態の分光器の原理は、第１実施形態の分光用デバイス５５及び分光器１００の原理に基づく。また、第２実施形態ではＴＥ偏波モードの光Ｌ_ｉｎを活用できるので、入射波長λをターゲット波長領域内で変化させ、各入射波長λにおいて、ＴＥ偏波モードの光Ｌ_ｉｎ（図示略）が金属層１０に表面１０ａ側から入射したときの入射角度θ_ｉｎと端子３３，３５から出力される光電流値Ｉ_θＳＰＲとの関係性を得られる。前述のデバイス特性マトリクスＲ₀の導出及び考え方をＴＥ偏波モードの光Ｌ_ＴＥに適用すると、第２実施形態では、ＴＭ偏波モードの光Ｌ_ＴＭを受光面ＲＳに入射させた際の光電流値Ｉ_θＳＰＲ等から算出されるデバイス特性マトリクスＲ_０－ＴＭと、ＴＥ偏波モードの光Ｌ_ＴＥを受光面ＲＳに入射させた際の光電流値Ｉ_θＳＰＲ等から算出されるデバイス特性マトリクスＲ_０－ＴＥの両方が得られる。

ＴＭ偏波モードとＴＥ偏波モードのそれぞれの入射光ベクトルＰ_ＴＭ，Ｐ_ＴＥは、感度マトリクスＲ_０－ＴＭ，Ｒ_０－ＴＭと、ＴＭ偏波モードとＴＥ偏波モードのそれぞれの光Ｌ_ｉｎで測定された光電流値Ｉ_θＳＰＲに基づく光電流ベクトルＩ_ＴＭ，Ｉ_ＴＥから、（９）式及び（１０）式のように得られる。

第２実施形態においても、共鳴角度θ_ＳＰＲを、回転部５５Ｂの第１回転軸を中心とする片持ち回転と回転軸Ａ２を中心とする回転のそれぞれの時間ｔに置き換え可能な場合は、ＴＭ偏波モードの光Ｌ_ＴＭを受光面ＲＳに入射させた際の光電流値Ｉ_θＳＰＲ等から算出されるデバイス特性マトリクスＲ_ｔ－ＴＭと、ＴＥ偏波モードの光Ｌ_ＴＥを受光面ＲＳに入射させた際の光電流値Ｉ_θＳＰＲ等から算出されるデバイス特性マトリクスＲ_ｔ－ＴＥの両方が得られる。入射光ベクトルＰ_ＴＭ，Ｐ_ＴＥは、デバイス特性マトリクスＲ_ｔ－ＴＭ，Ｒ_ｔ－ＴＥ及び光電流ベクトルＩから、（１１）式及び（１２）式のように得られる。

次いで、第２実施形態の分光用デバイス５６及び分光器を用いた分光測定方法について説明する。第２実施形態の分光測定方法は、デバイス特性マトリクスＲ_０－ＴＭ，Ｒ_０－ＴＥを取得するデバイス特性マトリクス取得工程と、得られたデバイス特性マトリクスＲ_０－ＴＭ，Ｒ_０－ＴＥ及び光電流ベクトルＩ_ＴＭ，Ｉ_ＴＥに基づいて入射光ベクトルＰ_ＴＭ，Ｐ_ＴＥを算出する入射光ベクトル算出工程とを備える。

＜デバイス特性マトリクス取得工程＞
先ず、ＴＭ偏波モードの光Ｌ_ｉｎを用いて、第１実施形態の分光測定方法で説明したデバイス特性マトリクス取得工程を行う。続いて、試料Ｗを光Ｌ_ＴＭ（光Ｌ_ｉｎ）の進路上から外したまま、スピーカー１４０から所定の周波数の音波を出力させ、分光用デバイス５６の回転部５６Ｂを一定の周期で回転軸Ａ２を中心に回転させる。同時に、光源１１０からターゲット波長領域の最も低い波長λ_１のＴＥ偏波モードの光Ｌ_ｉｎを出射させ、端子３３，３５から出力される光電流値Ｉ_θｉｎを測定する。その後、光源１１０から出射させるＴＥ偏波モードの光Ｌ_ｉｎの波長をターゲット波長領域内の波長λ_２から波長λ_ｎ（ｎは２より大きい自然数）まで順次変化させる。その際、上述の入射波長λ_１の場合と同様に、時間ｔ・光Ｌ_ＴＥの入射角度θ_ｉｎ・入射波長λ_２～λ_ｎ・共鳴角度θ_ＳＰＲ・光電流値Ｉ_θｉｎの関係から、入射波長λ_２～λ_ｎのそれぞれにおける光電流値Ｉ_θｉｎの入射角度θ_ｉｎの依存性を得る。このようにして得られたターゲット波長領域λ_１～λ_ｎのそれぞれにおけるＴＭ偏波モード及びＴＥ偏波モードの光電流値Ｉ_θｉｎ（Responsivity）の入射角度θ_ｉｎの依存性から、デバイス特性マトリクスＲ_０－ＴＥ，Ｒ_ｔ－ＴＥを取得する。

＜入射光ベクトル取得工程＞
次に、ＴＭ偏波モードの光Ｌ_ｉｎを用いて、第１実施形態の分光測定方法で説明した入射光ベクトル取得工程を行う。試料Ｗを光Ｌ_ＴＭの進路上に配置した状態で、スピーカー１４０から所定の周波数の音波を出力させ、分光用デバイス５６の回転部５６Ｂを一定の周期で回転軸Ａ２を中心に回転させる。同時に、多色光源である光源１１０から波長λ_１～λ_ｎのＴＥ偏波モードの光Ｌ_ｉｎを出射させ、端子３３，３５から出力される光電流値Ｉ_θｉｎを測定する。測定された光電流値Ｉ_θｉｎから、ＴＥ偏波モードにおける光電流値Ｉ_{θＳＰＲ１}，Ｉ_{θＳＰＲ１}，…，Ｉ_{θＳＰＲｎ}の要素を有する光電流ベクトルＩ_ＴＥを算出する。入射光ベクトル取得工程では、ＴＭ偏波モードと同様に、ＴＥ偏波モードについても離散的な共鳴角度θ_ＳＰＲごとの回転位置で光電流の計測を行い、光電流ベクトルＩ_ＴＭ，Ｉ_ＴＥを作成する。

続いて、デバイス特性マトリクスＲ_０－ＴＥ，Ｒ_ｔ－ＴＥ，Ｒ_０－ＴＭ，Ｒ_ｔ－ＴＭのぞれぞれの逆行列Ｒ_０－ＴＥ ^－１，Ｒ_ｔ－ＴＥ ^－１，Ｒ_０－ＴＭ ^－１，Ｒ_ｔ－ＴＭ ^－１を算出する。算出した逆行列Ｒ_０－ＴＥ ^－１，Ｒ_ｔ－ＴＥ ^－１，Ｒ_０－ＴＭ ^－１，Ｒ_ｔ－ＴＭ ^－１及び光電流ベクトルＩ_ＴＭ，Ｉ_ＴＥから、前述の（９）式及び（１２）式によって入射光ベクトルＰ_ＴＭ，Ｐ_ＴＥを算出する。入射光ベクトルＰ_ＴＭ，Ｐ_ＴＥのそれぞれに含まれる試料Ｗの光学情報を検出すると、分光用デバイス５６及び第２実施形態の分光器を用いた分光測定方法は完了する。

第２実施形態の分光用デバイス５６は、第１実施形態の分光用デバイス５５と同じ構成を備えるので、第１実施形態の分光用デバイス５５と同様の作用効果が得られる。

また、第２実施形態の分光用デバイス５６は、第１回転軸に直交する回転軸Ａ２を有する。回転部５５Ｂは、回転軸Ａ２を中心として回転できる。第２実施形態の分光用デバイス５６によれば、第１回転軸を中心に回転部５５Ｂを片持ち回転させる際にＴＭ偏波モードの入射光Ｌ_ｉｎを用い、回転軸Ａ２を中心に回転部５５Ｂを回転させる際にＴＥ偏波モードの入射光Ｌ_ｉｎを用いることができる。このように回転軸ごとに受光面ＲＳに照射する光の偏波モードを変えることによって、第１回転軸を中心に回転部５５Ｂを片持ち回転させるのみの場合に比べて、試料Ｗの光学情報が多角的に取得される。すなわち、ＴＭ偏波モードにおける試料Ｗの光学情報とＴＥ偏波モードにおける試料Ｗの光学情報の両方を取得できる。近年、偏波モードの違いによる物質の光学情報やふるまいの違いの有無を検出可能とする要求は高く、分光用デバイス５６によってＴＭ偏波モードとＴＥ偏波モードのそれぞれにおける試料Ｗの光学情報を検出できる意義は極めて高い。また、ＳＰＲに基づく従来のセンサの多くでは、ＴＭ偏波モードのみを利用することが多く、その点からも分光用デバイス５６によってＴＭ偏波モードとＴＥ偏波モードのそれぞれにおける試料Ｗの光学情報を検出できる意義は極めて高い。

また、第２実施形態の分光用デバイス５６は、受光面ＲＳに平行で且つ第１回転軸に直交する回転軸Ａ２を有する。回転部５５Ｂは回転軸Ａ２を中心として回転する。接続部６２は回転部５５Ｂの外周端縁５ｒにおけるＸ方向の両端に対向する固定部５５Ａの端縁５７（すなわち、接続箇所５８）と回転部５５Ｂの外周端縁５ｒにおけるＸ方向の中央部とを接続する。第２実施形態の分光用デバイス５６によれば、接続部６２は２箇所の接続箇所５８で固定部５５Ａに接続されて２点支持され、接続基端部６２Ｃで回転部５５Ｂに接続して回転部５５Ｂを１点支持する。このような構成によって、剛性を有する回転部５５Ｂを第１回転軸及び回転軸Ａ２のそれぞれの軸を中心として円滑且つ安定的に回転させることができる。第２実施形態では、回転軸Ａ２を中心として回転部５５Ｂが回転する際についても、長辺部Ｅ１，…，Ｅｎ及び短辺部Ｆ１，…，Ｆｍが適宜変位し、接続部６２が全体的に柔軟にたわむ。したがって、回転部５５Ｂの剛性を高くしても、接続部６２の柔軟なたわみによって、回転部５５Ｂを第１回転軸及び回転軸Ａ２のそれぞれの軸を中心として上下方向に回転させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、上述の第１実施形態及び第２実施形態では、第１回転軸が平面視で受光面ＲＳの外にあるが、回転部５５Ｂが第１回転軸が平面視で受光面ＲＳの内にあってもよい。平面視において、受光面ＲＳのＸ方向の手前側の端縁と第１回転軸が重なってもよい。

また、上述の第２実施形態では、固定部５５Ａと回転部５５Ｂが平面視で蛇腹状に形成された接続部６２によって接続される。しかしながら、固定部５５Ａと回転部５５Ｂとの接続方法及び接続部の構成は、接続部６２に限定されない。一例として、支持部材８０は、軸芯を中心に回転可能な棒状の部材であってもよい。接続部は、回転部５５Ｂと略同様の幅を有し、端縁５ｒから棒状の部材の外周面に当接して棒状の部材に接続され、棒状の部材に固定されてもよい。この構成によっても、支持部材８０が軸芯を中心として回転すれば、回転部５５Ｂは片持ち回転できる。

また、上述の第２実施形態では、回転軸Ａ２は平面視で受光領域ＲＳ内にあるが、回転軸Ａ２は第１回転軸と同様に平面視で受光面ＲＳ外にあってもよい。一例として、回転部５５ＢのＹ方向の手前側又は奥側の端縁の側に、回転部５５Ｂと任意の支持部材とを接続する新たな接続部があってもよい。このように構成することによって、回転部５５Ｂを回転軸Ａ２を中心に片持ち回転させると共に、ＴＥ偏波モードの光を用いて光電流Ｉ_θＳＰＲを測定する際に、回転部５５Ｂの回転角度を大きくすることができる。したがって、ＴＥ偏波モードの光を用いた場合であっても、ＴＭ偏波モードの光を用いた場合と同様に、ターゲット波長領域を広く確保できる。
さらに、第２実施形態の分光用デバイス５６は、回転軸Ａ２のみを中心に回転可能であってもよい。

また、上述の第１実施形態及び第２実施形態では、回転機構１３０としてスピーカー１４０を採用したが、回転機構１３０はスピーカー１４０に限定されない。回転部５５Ｂを回転させる方法としては、音波によって振動させる方法の他に、磁気によって振動させる方法、ピエゾ素子などの圧電体を組み込みアクチュエートする方法等が挙げられる。磁気によって回転部５５Ｂを回転させる場合、２つの磁気部材をＺ方向において回転部５５Ｂの両側に設け、２つの磁気部材の磁気を制御してもよい。

３０ 電極部
５５，５６ 分光用デバイス
５５Ａ 固定部
５５Ｂ 回転部
８０ 支持部材
１００ 分光器
Ａ２ 回転軸（第２回転軸）
ＲＳ 受光面
Ｘ 方向（第１方向）

Claims (10)

1. 受光面を有する板状の傾斜部と、
   支持部材に固定可能に形成された固定部と、
   前記傾斜部の外縁端部の少なくとも一部に接続され、前記傾斜部と前記固定部とを接続する接続部と、
   前記傾斜部の前記受光面と電気的に接続された電極部と、
   を備え、
   前記傾斜部、前記固定部、及び前記接続部は半導体基板で構成され、
   前記傾斜部は、
   前記半導体基板と、
   前記半導体基板に積層されて前記半導体基板との界面でショットキー障壁を構成する金属層と、
   を有し、
   前記金属層の前記半導体基板に接する表面とは反対側の表面を受光面として、前記受光面に所定の波長を有する光が入射した際に前記半導体基板と前記金属層との界面にて表面プラズモン共鳴が生じ、
   前記接続部内の第１回転軸を中心として周方向の所定の角度の範囲で前記傾斜部の傾斜角度が変化し、
   前記接続部の剛性は前記傾斜部よりも低い、
   分光用デバイス。
2. 前記傾斜部の傾斜角度が前記受光面内にあり且つ前記第１回転軸に直交する第２回転軸を中心として周方向の所定の角度の範囲で変化する、
   請求項１に記載の分光用デバイス。
3. 前記接続部を構成する前記半導体基板は前記傾斜部を構成する前記半導体基板よりも薄い、
   請求項１又は２に記載の分光用デバイス。
4. 前記接続部は、前記傾斜部において前記第１回転軸に平行な第１方向に沿う外周端縁の接続基端部と前記固定部において前記外周端縁に対向する端縁に位置する接続端部とを接続し、
   前記接続部は、前記受光面に平行であり且つ前記第１回転軸に直交する第２方向に沿って延びる長辺部と前記第１方向に延びる短辺部とを有し、前記長辺部と前記短辺部とが交互に連結されて蛇腹状に形成されている、
   請求項１から３の何れか一項に記載の分光用デバイス。
5. 前記接続部は、前記外周端縁の中央部の接続基端部と前記固定部において前記第１回転軸に平行な第１方向で前記接続基端部を挟んで両側の前記接続端部の各々とを接続し、
   前記傾斜部の傾斜角度が前記受光面に平行であり且つ前記第１回転軸に直交する第２回転軸を中心として周方向の所定の角度の範囲で変化する、
   請求項４に記載の分光用デバイス。
6. 請求項１から５の何れか一項に記載の分光用デバイスと、
   前記固定部を支持する支持部材と、
   前記傾斜部の傾斜角度を、前記第１回転軸を中心として周方向の所定の角度の範囲で変更する角度変更機構と、
   前記受光面に前記所定の波長の光を照射する光源と、
   を備える、
   分光器。
7. 前記光源から出射された前記所定の波長の光をコリメートし、前記受光面に照射するコリメートレンズを備える、
   請求項６に記載の分光器。
8. 前記角度変更機構は、前記傾斜部と間隔をあけて配置され、前記傾斜部において前記光が入射する側とは反対側から所定の周波数の音波を出力するスピーカーを備え、
   前記スピーカーから出力された前記音波によって前記傾斜角度が変更され、
   前記傾斜角度は前記所定の周波数に応じた一定の周期で変化する、
   請求項６又は７に記載の分光器。
9. 請求項６から８の何れか一項に記載の分光器を用いた分光測定方法であって、
   前記受光面に照射される前記光の進路上に測定対象の試料が配置されていない状態で、前記傾斜角度を変化させることによって前記受光面への前記所定の波長の光の入射角度を変化させると共に前記受光面に入射する前記光の入射波長を変化させ、前記入射波長ごとの前記受光面に入射する前記光のパワーと前記表面プラズモン共鳴の共鳴角度ごとに前記電極部から出力される光電流値とを得た後、下記の＜１＞式及び＜２＞式から、前記分光用デバイスにおける前記入射波長と前記表面プラズモン共鳴が生じる共鳴角度と前記光電流値との関係を示すデバイス特性マトリクスを算出するデバイス特性マトリクス取得工程と、
   前記受光面に照射される前記光の進路上に前記試料を配置し、前記傾斜角度を変化させることによって前記試料の光学情報を含む光の前記受光面への入射角度を変化させつつ、前記電極部から出力され且つ前記光学情報を含む光電流値を得た後、前記デバイス特性マトリクス取得工程で取得した前記デバイス特性マトリクスと前記光学情報を含む光電流値を要素とする光電流ベクトルとを用いて、下記の＜３＞式から、前記傾斜部に入射し且つ前記光学情報を含む光の前記入射波長ごとのパワーを要素とする入射光ベクトルを算出する入射光ベクトル算出工程と、
   入射光ベクトル算出工程で算出した前記入射光ベクトルから前記試料に照射される前の前記光の情報をキャンセルすることによって前記入射光ベクトルに含まれる前記光学情報を取り出す光学情報取得工程と、
   を備える、
   分光測定方法。
   

   

   

   

   なお、上記の＜１＞式から＜３＞式において、ｎは、任意の自然数を表す。
   上記の＜１＞式及び＜２＞式において、ｍを１からｎまでの自然数とすると、Ｐ _λｍ は、前記受光面に照射される前記光の進路上に前記試料が配置されていない状態において、前記受光面に入射するｍ番目の入射波長λ _ｍ の前記光のパワーを表す。Ｉ _{θＳＰＲｍ} は、ｍ番目の共鳴角度θ _ＳＰＲｍ で発現して前記電極部から出力される光電流値を表す。Ｒ _{λｍθＳＰＲｍ} は、前記受光面に照射される前記光の進路上に前記試料が配置されていない状態において、入射波長λ _ｍ の前記光が共鳴角度θ _ＳＰＲｍ で発現したときに前記電極部から出力される光電流値を意味する。Ｒ _０ は、前記デバイス特性マトリクスを表す。
   上記の＜３＞式において、Ｒ _０ ^－１ は、デバイス特性マトリクスＲ _０ の逆行列を表す。ｍを１からｎまでの自然数とすると、Ｐは、前記入射光ベクトルを表し、前記受光面に照射される前記光の進路上に前記試料が配置されたときに、前記試料を通って前記受光面に入射する入射波長λ _ｍ の前記光のパワーＰ _λｍ によって構成され、［Ｐ _λ１ ，…，Ｐ _λｎ ］で表される。Ｉは、前記光電流ベクトルを表し、前記受光面に照射される前記光の進路上に前記試料が配置されたときに、共鳴角度θ _ＳＰＲｍ で発現して前記電極部から出力される光電流値Ｉ _{θＳＰＲｍ} によって構成され、［Ｉ _{θＳＰＲ１} ，…，Ｉ _{θＳＰＲｎ} ］で表される。
10. 前記デバイス特性マトリクス取得工程において、
    前記傾斜角度を一定の時間周期で変更することによって、前記入射角度及び前記共鳴角度を経過時間に換算し、
    前述の＜１＞式及び＜２＞式におけるデバイス特性マトリクスを下記の＜４＞式で表されるマトリクスに置き換え、前記デバイス特性マトリクスを算出し、
    前記入射光ベクトル算出工程において、
    前述の＜３＞式を下記の＜５＞式に替えて前記入射光ベクトルを算出する、
    請求項９に記載の分光測定方法。
    

    

    

    なお、上記の＜４＞式において、ｋを０からｎまでの整数とすると、Ｒ _λｍｔｋ は、前記受光面に照射される前記光の進路上に前記試料が配置されていない状態において、入射波長λ _ｍ の前記光が経過時間ｔ _ｋ で発現したときに前記電極部から出力される光電流値を意味する。Ｒ _ｔ は、前記入射角度及び前記共鳴角度を前記経過時間に換算したときのデバイス特性マトリクスを表す。
    上記の＜５＞式において、Ｒ _ｔ ^－１ は、デバイス特性マトリクスＲ _ｔ の逆行列を表す。

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