WO2011048992A1

WO2011048992A1 - 被測定物の特性を測定するための測定装置および測定方法

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Publication number: WO2011048992A1
Application number: PCT/JP2010/067965
Authority: WO
Inventors: 和大瀧川; 孝志近藤; 誠治神波; 治雄松本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2012-04-19
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Abstract

　本発明は、周期的構造体に被測定物を保持し、前記周期的構造体（１）に電磁波を照射して、前記周期的構造体（１）を透過した電磁波を検出し、前記周期的構造体（１）で分散した電磁波の周波数特性もしくは位相特性が前記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定するための測定装置であって、前記周期的構造体（１）は、前記被測定物を配置するためのギャップ部（２）を介して配置された複素誘電率が周期的に変化する第１周期構造部（１１）および第２周期構造部（１２）からなることを特徴とする。

Description

被測定物の特性を測定するための測定装置および測定方法

　本発明は、物質の特性を分析するのに、平板形状の周期的構造体に被測定物を保持して、その被測定物が保持された平板形状の周期的構造体に電磁波を照射し、散乱された電磁波を検出して被測定物の特性を測定するための測定装置、および測定方法に関する。

　従来から、物質の特性を分析するのに、特定の構造体に被測定物を保持して、その被測定物が保持された構造体に電磁波を照射し、その透過スペクトルを解析して被測定物の特性を検出する測定方法が用いられている。具体的には、例えば、金属メッシュフィルタに付着したタンパク質などの被測定物に、テラヘルツ波を照射して透過スペクトルを解析する手法が挙げられる。

　このような電磁波を用いた透過スペクトルの解析手法の従来技術として、特開２００８－１８５５５２号公報（特許文献１）には、被測定物が保持された空隙領域を有する空隙配置構造体（具体的には、メッシュ状の導体板）に向かって、空隙配置構造体の主面に垂直な方向に対して斜めの方向から電磁波を照射して、空隙配置構造体を透過した電磁波を測定し、測定値の周波数特性に生じたディップ波形の位置が、被測定物の存在により移動することに基づいて被測定物の特性を検出する測定方法が開示されている。

　一方、別の形態の構造体を用いた測定装置の例として、特開２００６－２３４６９２号公報（特許文献２）には、被測定物を流す為の流路が形成された２つのフォトニック結晶領域を有形の光導波路によって接続した測定装置が開示されている。フォトニック結晶とは、屈折率が周期的に変化する構造体であり、その中の電磁波の伝わり方は構造によって制御できる。各々のフォトニック結晶領域にはさらに欠陥構造が形成されている。

　このような構造の複合構造体に特定の電磁波を照射した場合、その透過率スペクトルには欠陥構造に起因する不純物モードが現れる。フォトニック結晶の流路内に被測定物を流し、複合構造体の透過率スペクトル中の不純物モードの変化を測定することで、流路内にある被測定物の特性を測定することができる。この方法では、欠陥準位によって透過率スペクトルに生じる不純物モードのピークの位置ずれに基づいて測定が行われる（特許文献２の［００３３］、［００４５］～［００５４］、図５および６参照）。

　しかし、特許文献２に開示された測定装置においては、２つのフォトニック結晶領域を接続する導波路が必要である。導波路が固定されてしまうと、光路長が固定されるので自ずと不純物モードが固定されてしまう。また、導波路によって使用できる周波数帯が制限されるので、不純物モードの周波数も固定されてしまう。このため、被測定物の種類などに応じて、最適な不純物モードが出現するように、電磁波の周波数や装置構成を調節することが困難になるという問題があった。

特開２００８－１８５５５２号公報特開２００６－２３４６９２号公報

　本発明は、フォトニック結晶のような周期構造部を有する装置を用いて被測定物の測定を行う場合において、被測定物の種類などに応じて、最適な不純物モードが出現するように、電磁波の周波数や装置構成を調節することが可能な測定装置を提供し、被測定物の測定を高感度に再現性良く行うことを目的とする。

　本発明は、周期的構造体に被測定物を保持し、上記周期的構造体に電磁波を照射して、上記周期的構造体を透過した電磁波を検出し、上記周期的構造体で分散した電磁波の周波数特性もしくは位相特性が上記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定するための測定装置であって、
　上記周期的構造体は、上記被測定物を配置するためのギャップ部を介して配置された複素誘電率が周期的に変化する第１周期構造部および第２周期構造部からなり、
　上記第１周期構造部へ電磁波を照射する照射部と、上記周期的構造体を透過して上記第２周期構造部から出射される電磁波を検出する検出部とを備えた測定装置である。

　上記周期的構造体は、平板形状の高屈折率層と平板形状の低屈折率層とが交互に積層された構造を有することが好ましい。

　上記周波数特性もしくは位相特性における不純物モードの周波数、透過率または位相が上記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定することが好ましい。

　上記周波数特性もしくは位相特性における不純物モードのうち、最低次の周波数の整数倍の周波数における不純物モードの周波数、透過率または位相が、上記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定することが好ましい。

　上記周期的構造体において、上記ギャップ部の厚さを変化させるためのギャップ調節機構を有することが好ましい。

　上記ギャップ部に配置された上記被測定物を、ギャップ内で任意に移動する為の位置調節機構を有することが好ましい。

　上記低屈折率層が枠体に囲まれた空間であり、
　上記周期的構造体が、該空間に外部から気体を充填するための構造を有することが好ましい。

　また、本発明は、周期的構造体に被測定物を保持し、上記周期的構造体に電磁波を照射して、上記周期的構造体を透過した電磁波を検出し、上記周期的構造体を透過した電磁波の周波数特性もしくは位相特性が上記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定する測定方法であって、
　上記周期的構造体は、上記被測定物を配置するためのギャップ部を介して配置された複素誘電率が周期的に変化する第１周期構造部および第２周期構造部からなり、
　上記第１周期構造部へ電磁波を照射する工程と、上記周期的構造体を透過して上記第２周期構造部から出射される電磁波を検出する工程とを含む、測定方法にも関する。

　本発明の測定装置および測定方法によれば、フォトニック結晶のような周期構造部を有する装置を用いて被測定物の測定を行う場合において、導波路を用いなくても不純物モードを生じさせることができる。このため、ギャップ部の厚さ（光路長）を調節することができ、任意の周波数に不純物モードを生じさせることができる。

　また、ギャップ部の電界強度がより強くなるように、不純物モードが出現する周波数が調節された周期的構造体に、適切な周波数の電磁波を照射して不純物モードを発生させることにより、被測定物をギャップ部に配置したときの不純物モードの変化量を大きくすることができる。これにより、不純物モードの変化に基づいた被測定物の測定を、高感度に再現性良く行うことができる。

（ａ）は、実施例１のシミュレーション計算のモデルとした周期的構造体の斜視図である。（ｂ）は、（ａ）の部分拡大図である。（ａ）は、実施例１の計算によって得られた、周期的構造体のみの透過率スペクトルである。（ｂ）は、（ａ）の透過率スペクトルの３００～１０００ＧＨｚの範囲を拡大した図である。周期的構造体内部における電界強度の分布図である。（ａ）は、実施例１の計算によって得られた、ギャップ部に誘電体が存在する場合の透過率スペクトルである。（ｂ）は、（ａ）の透過率スペクトルの０．５３９５～０．５４１０ＴＨｚの範囲を拡大した図である。（ｃ）は、ギャップ部に配置する誘電体の厚さを変化させたときの、誘電体の質量とピーク透過率の関係を示すグラフである。本発明の一形態における周期的構造体とギャップ調節機構、距離調節機構および位置調節機構の概念図である。（ａ）は、実施例２の測定に用いた周期的構造体を示す斜視図である。（ｂ）は、（ａ）の第１周期構造部１１の分解斜視図である。実施例２の測定によって得られた、周期的構造体のみの透過率スペクトルである。（ａ）は、実施例２の測定によって得られた、ギャップ部に被測定物を配置した場合の透過率スペクトルである。（ｂ）は、（ａ）に示す透過率スペクトルにおいて、被測定物の質量とピーク透過率の関係を示したグラフである。（ａ）は、実施例３で計算により求めた透過率スペクトルである。（ｂ）は、（ａ）の透過率スペクトルにおける不純物モードのピーク周波数（左目盛り：実線）および該ピークの透過率（右目盛り：点線）と、ギャップ部の厚さとの関係を示すグラフである。実施例４の各条件において、周期構造体を構成する材料および層数と電界強度の関係を示すグラフである。ギャップ部に誘電体が存在する状態での、不純物モードにおける高次モードと透過率との関連特性に関するシミュレーションにより求めた透過率スペクトルである。（ａ）は基本モードである１８０ＧＨｚ近傍の透過率スペクトル、（ｂ）は３倍波のモードである５４０ＧＨｚ近傍の透過率スペクトル、（ｃ）は５倍波のモードである９００ＧＨｚ近傍の透過率スペクトルである。ギャップ部に誘電体が存在する状態での、不純物モードにおける高次モードと周波数シフト量との関連特性に関するシミュレーションにより求めた透過率スペクトルである。（ａ）は基本モードである１８０ＧＨｚ近傍の透過率スペクトル、（ｂ）は３倍波のモードである５４０ＧＨｚ近傍の透過率スペクトル、（ｃ）は５倍波のモードである９００ＧＨｚ近傍の透過率スペクトルである。（ａ）はギャップ部に誘電体が存在する状態での、不純物モードにおけるシミュレーションにより求められた位相スペクトルである。（ｂ）は（ａ）の１８０ＧＨｚ近傍での拡大図、（ｃ）は（ａ）の５４０ＧＨｚ近傍での拡大図、（ｄ）は（ａ）の９００ＧＨｚ近傍での拡大図である。

　（測定装置）
　本発明は、周期的構造体に被測定物を保持し、上記周期的構造体に電磁波を照射して、上記周期的構造体を透過した電磁波を検出し、上記周期的構造体で分散した電磁波の周波数特性もしくは位相特性が上記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定するための測定装置に関するものである。

　上記周期的構造体は、複素誘電率が周期的に変化する第１周期構造部、および、複素誘電率が周期的に変化する第２周期構造部からなる。第１周期構造部および第２周期構造部は、被測定物を配置するためのギャップ部を介して配置される。第１周期構造部および第２周期構造部は、平板形状の高屈折率層と平板形状の低屈折率層とが交互に積層された構造を有することが好ましい。高屈折率層とは、低屈折率層よりも屈折率の高い材料から構成される層である。低屈折率層とは、高屈折率層よりも屈折率の低い材料から構成される層である。ギャップ部とは第１周期構造部と第２周期構造部との間隙部分である。第１周期構造部および第２周期構造部は、第１周期構造部の主面と第２周期構造部の主面とが平行となるように配置されることが好ましい。上記周期的構造体は、例えば、第１周期構造部および第２周期構造部の主面が、第１周期構造部へ照射される電磁波の進行方向に対して垂直となるように配置されてもよく、斜めになるように配置されてもよい。

　高屈折率層を構成する材料は、低屈折率層よりも高い屈折率を有する材料であれば特に限定されないが、誘電損失の少ない材料が好ましい。例えば、照射部から照射される電磁波の周波数が１００ＧＨｚ～３ＴＨｚである場合、石英、フッ化カルシウム、セラミックス、シリコンなどが挙げられる。さらに好ましくは石英である。後述の実施例４に示されるように、ギャップ部の電界強度が最大になる傾向があるためである。

　低屈折率層およびギャップ部は、気体を充填した空間であることが好ましい。ここで、該気体は、誘電損失の少ない気体や水蒸気を含まない気体などであることが好ましく、例えば、乾燥窒素などが挙げられる。なお、低屈折率層は、該空間を形成するための枠体が設けられた構成となっていてもよい。

　ギャップ部に被測定物を配置する方法は特に限定されないが、例えば、被測定物が保持されたフィルムをギャップ部に配置する方法や、被測定物を含む流体をギャップ部に流す方法などが挙げられる。被測定物を保持するフィルムは特に限定されないが、測定に用いる電磁波の透過率が高いものが好ましい。したがって、フィルムの材質としては、誘電率の小さな（誘電損失の少ない）材料であることが好ましく、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂などが挙げられる。また、フィルムの厚さは薄いものが好ましいが、ギャップ部に配置するための定形性を有することが好ましい。また、被測定物を効率的に保持するために多孔を有するものであることが好ましい。

　本発明の測定装置において、上記周期的構造体は、第１周期構造部および第２周期構造部の主面が、第１周期構造部へ照射される電磁波の進行方向に対して垂直となるように配置されることが好ましい。

　本発明において、被測定物の特性を測定するとは、被測定物となる化合物の定量や誘電率等の各種の定性などを行うことであり、例えば、溶液中等の微量の被測定物の含有量を測定する場合や、被測定物の同定を行う場合が挙げられる。

　本発明の測定方法で用いられる電磁波は、平板形状の周期的構造体の構造に応じて散乱を生じさせることのできる電磁波であれば特に限定されず、電波、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線、ガンマ線等のいずれも使用することができる。また、その周波数も特に限定されるものではないが、好ましくは２０ＧＨｚ～１２０ＴＨｚであり、より好ましくは１００ＧＨｚ～５ＴＨｚであり、さらに好ましくは１００ＧＨｚ～３ＴＨｚである。１００ＧＨｚ以上の周波数とする方が、空間分解能を小さくできるので高感度の測定が可能になり、５ＴＨｚより高い周波数とした場合、高屈折率層の厚さを１５μｍ程度よりも薄くする必要があるため高屈折率層の加工が困難になるためである。

　また、本発明で用いられる電磁波は、通常、２０ＧＨｚ～１２０ＴＨｚの電磁波である。具体的な電磁波としては、例えば、短光パルスレーザを光源として、ＺｎＴｅ等の電気光学結晶の光整流効果により発生するテラヘルツ波や、高圧水銀ランプやセラミックランプから放射される赤外線や、半導体レーザーから出射される可視光や光伝導アンテナから放射される電磁波が挙げられる。

　本発明において「散乱」とは、前方散乱の一形態である透過や、後方散乱の一形態である反射などを含む広義の概念を意味し、好ましくは透過や反射である。さらに好ましくは、０次方向の透過や０次方向の反射である。

　なお、一般的に、回折格子の格子間隔をｓ、入射角をｉ、回折角をθ、波長をλとしたとき、回折格子によって回折されたスペクトルは、
　　ｓ（ｓｉｎ　ｉ　－ｓｉｎ　θ）＝ｎλ　…（１）
と表すことができる。上記「０次方向」の０次とは、上記式（１）のｎが０の場合を指す。ｓおよびλは０となり得ないため、ｎ＝０が成立するのは、ｓｉｎ　ｉ－　ｓｉｎ　θ＝０の場合のみである。従って、上記「０次方向」とは、入射角と回折角が等しいとき、つまり電磁波の進行方向が変わらないような方向を意味する。

　なお、本発明の測定装置は、上記第１周期構造部へ電磁波を照射する照射部と、上記周期的構造体を透過して上記第２周期構造部から出射される電磁波を検出する検出部とを備えている。

　本発明の測定装置においては、上記のように２つの周期構造部（１次元、２次元および３次元構造のフォトニック結晶領域）の間にギャップ部を介在させることにより、導波路を用いなくても、周期的構造体で分散された電磁波の周波数特性もしくは位相特性における不純物モードを生じさせることができる。

　上記周波数特性もしくは位相特性における不純物モードの周波数、透過率または位相が、上記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定することが好ましい。本発明において、不純物モードとは、２つの周期構造部の間に非周期的な部分としてギャップ部が存在することにより生じる周波数特性もしくは位相特性であり、周期構造部のみには見られない周波数特性もしくは位相特性である。また、被測定物をギャップ部に配置し、周期的構造体の透過率スペクトルを測定することで、透過率スペクトルに出現する不純物モードの変化から被測定物の特性を測定できる。

　上記周期的構造体において、上記ギャップ部の厚さを変化させるためのギャップ調節機構を有することが好ましい。ギャップ調節機構により、任意の周波数に不純物モードを生じさせられる。その結果、被測定物の周波数特性を広い周波数範囲で得ることができる。また、被測定物の位相特性を広い周波数範囲で得ることができる。

　また、ギャップ調節機構によりギャップ部の幅を変えることで、ギャップ部の電界強度を最大にすることができる。ギャップ部の幅を変える場合、周期構造部の一方を固定し、他方の周期構造部を移動させてギャップ部の幅を変えてもよい。また、２つの周期構造部を同時に移動させてギャップ部の幅を変えてもよい。

　上記ギャップ部に配置された上記被測定物を、上記照射部から照射される電磁波の進行方向に対して平行な方向に移動するための距離調節機構を有することが好ましい。このような距離調節機構によって、第１周期構造体および第２周期構造体と被測定物との距離を調節することができ、ギャップ調節機構と同様の効果が奏される。また、被測定物はギャップ部に配置されていればよく、望ましくはギャップ部の中央に配置される。

　上記ギャップ部に配置された上記被測定物を、上記照射部から照射される電磁波の進行方向に対して垂直な方向に移動するための位置調節機構を有することが好ましい。このような位置調節機構により、ギャップ部において、被測定物が保持されたフィルムを移動させ、フィルムの面内の複数箇所の被測定物を測定することで、被測定物のフィルムへの保持率の面内ばらつきを平均化することができる。また、１つのフィルムの面内の複数箇所に異なる被測定物を保持しておくことで、複数の被測定物を一連の操作で測定することもできる。

　上記ギャップ調節機構と距離調節機構と位置調節機構は互いの平行度を小さくする為、ガイドを有していることが好ましい。また、上記ギャップ調節機構、距離調節機構および位置調節機構として、モーターやアクチュエーターで稼働する自動ステージ、もしくはマイクロメーターで稼働する手動ステージなどが挙げられる。

　図５に、本発明の一形態における周期的構造体とギャップ調節機構、距離調節機構および位置調節機構の概念図を示す。図５に示す周期的構造体は第１周期構造部１１および第２周期構造部１２から構成されており、第１周期構造部１１および第２周期構造部１２はギャップ調節機構５１，５２により１軸方向（Ｚ軸方向）に任意に移動させることができ、これによってギャップ部の厚さを調節することができる。また、被測定物が保持されたフィルム４は、位置調節機構４１および４３によりＸ軸およびＹ軸方向に任意に移動させることができ、距離調節機構４２によりＺ軸方向に任意に移動させることができるため、ギャップ部内において３軸方向に任意に移動させることができる。

　上記低屈折率層が枠体に囲まれた空間であり、上記周期的構造体が、該空間に外部から気体を充填するための構造を有することが好ましい。例えば、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、第１周期構造部１１において、高屈折率層１１ａの各々が、複数の低屈折率層１１ｂの空間部１１１同士の間、および、低屈折率層１１ｂの空間部１１１と第１周期構造部１１の外部とを連通させるための貫通孔１１０を備えた構造が挙げられる。貫通孔１１０から乾燥窒素などを低屈折率層１１ｂの空間部１１１に充填することにより、低屈折率層１１ｂの空間部１１１内に水蒸気などの誘電体が存在した場合のノイズピークを低減することができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

　（測定方法）
　本発明は、周期的構造体に被測定物を保持し、上記周期的構造体に電磁波を照射して、上記周期的構造体を透過した電磁波を検出し、上記周期的構造体を透過した電磁波の周波数特性もしくは位相特性が上記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定する測定方法であって、
　上記周期的構造体は、複素誘電率が周期的に変化する第１周期構造部および第２周期構造部が、被測定物を配置するためのギャップ部を介して配置されており、
　上記第１周期構造部へ電磁波を照射する工程と、上記周期的構造体を透過して上記第２周期構造部から出射される電磁波を検出する工程とを含む、測定方法にも関するものである。

　本発明に用いられる測定方法は、時間領域テラヘルツ分光法（ＴＨｚ－ＴＤＳ）を用いた方法であることが好ましいが、このような方法に限定されず、その他の分光装置を用いた測定方法も用いることができる。ＴＨｚ－ＴＤＳとは、テラヘルツパルス波をサンプルに入射させ、サンプルを透過もしくは反射した後のテラヘルツパルス波の波形を時間分解計測し、その波形をフーリエ変換することにより周波数ごとの振幅と位相を得るという分光法である。従来の分光装置において計測されるのは光の強度に関する情報であったが、テラヘルツパルス分光法では電磁波の波形そのものが計測される。テラヘルツパルス分光法を用いて得られた振幅と位相を解析することにより、サンプルの複素誘電率や複素屈折率の周波数依存性を調べることができる。さらに複素誘電率の周波数依存性の解析から、サンプルの物理的・化学的な性質を探ることができます。

　以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

　（実施例１）
　周期的構造体の透過率スペクトルについて、電磁界解析によるシミュレーション計算を行った。計算に用いた測定装置のモデル構成の概要について、図１（ａ）を用いて説明する。なお、図１（ｂ）に、図１（ａ）の一部（Ａの点線で囲まれた部分）を拡大した図を示す。

　図１（ａ）に示されるように周期的構造体１は、第１ポート３１（照射部と検出部を兼ねる）および第２ポート３２（検出部）と、２つの周期構造部（第１周期構造部１１、第２周期構造部１２）およびその間のギャップ部２とから構成されている。

　第１周期構造部１１は、高屈折率層１１ａと低屈折率層１１ｂとが交互に積層され、４層の高屈折率層１１ａと３層の低屈折率層１１ｂとからなる計７層から構成されている。第２周期構造部１２も同様に高屈折率層１２ａと低屈折率層１２ｂとが積層されている。

　シミュレーション計算において、高屈折率層１１ａおよび１２ａは、石英からなる層を想定して、比誘電率εｒ＝３．８（屈折率１．９５）、誘電損失ｔａｎδ＝０．０００４とし、厚さ２１３μｍとした。低屈折率層１１ｂおよび１２ｂは、比誘電率εｒ＝１、誘電損失ｔａｎδ＝０とし、厚さ４１７μｍとした。また、ギャップ部の比誘電率は、比誘電率εｒ＝１、誘電損失ｔａｎδ＝０とし、厚さ８３４μｍとした。

　（１）　周期的構造体のみの場合のシミュレーション
　図１（ａ）に示すＸ軸方向、Ｙ軸方向の端面を周期境界、Ｚ軸方向の端面は吸収境界とした。第１ポート３１からは電磁波が入力され、周期的構造体１で反射された電磁波が第１ポート３１で検出され、周期的構造体１を透過した電磁波が第２ポート３２で検出されるものとした。第１ポート３１から入力した電磁波に対する第２ポート３２で検出した電磁波の比を求め、透過率スペクトルを計算した。得られた透過率スペクトルを図２（ａ）に示す。また、図２（ａ）の３００ＧＨｚ～１０００ＧＨｚの拡大図を図２（ｂ）に示す。

　図２（ａ）、（ｂ）の透過率スペクトルに示されるように、１８０ＧＨｚ近傍でフォトニックバンドギャップおよび１次の不純物モードが現れ、約１８０ＧＨｚの奇数（ｎ）倍の周波数（１８０ＧＨｚ、５４０ＧＨｚ、９００ＧＨｚ、・・・）でｎ次の不純物モードが生じることが分かる。高屈折率層を構成する厚さ２１３μｍの石英は低屈折率層の厚さ４１５．３５μｍ（＝２１３×１．９５）に相当する。この４１５μｍと低屈折率部の厚さ４１７μｍとを合わせた長さ（８３２μｍ）に電磁波の１波長がのる周波数［＝光速（ｍ／秒）／波長（μｍ）＝３６０ＧＨｚ］の電磁波が周期構造体を透過する。この長さに半波長がのる周波数１８０ＧＨｚの電磁波は周期構造体で反射されるため、約１８０ＧＨｚの奇数（ｎ）倍の周波数で不純物モードが生じていると考えられる。

　同様のシミュレーションによって得られる、周期構造体内部における電界強度の分布図を図３に示す。電界強度により白と黒の間で諧調を設けている。図３に示されるように２つの周期構造部（第１周期構造部１１および第２周期構造部１２）とギャップ部２の電界強度を比較すると、ギャップ部２において強い電界が生じていることが分かる。

　（２）　ギャップ部に誘電体が存在する場合のシミュレーション
　次に、ギャップ部の厚さ方向中央に（第１周期構造部と第２周期構造部との距離が等間隔となるように）平板形状の誘電体が存在する場合の透過率スペクトルをシミュレーション計算した。計算には周期構造部の各層を縦続行列に変換し、各行列の積を散乱行列に変換する方法を用いた。また、計算における周波数分解能は４００ＭＨｚである。

　平板形状の誘電体は、比誘電率εｒ＝２．６、誘電損失ｔａｎδ＝０．０１とし、厚さ１０ｎｍとした。求めた透過率スペクトル（誘電体あり）と上述の透過率スペクトル（誘電体なし）を併せて図４（ａ）に示す。また、図４（ａ）の５４０ＧＨｚ近傍の透過率スペクトルを拡大したものを図４（ｂ）に示す。

　不純物モードのピークにおける透過率は、誘電体がない状態が６１％、誘電体がある状態が６０％であった。この結果から、ギャップ部に誘電体を配置することで、不純物モードのピークの透過率が低下していることが分かる。

　（３）　ギャップ部の誘電体の厚さを変化させた場合のシミュレーション
　さらに、誘電体の厚さを８段階（０（誘電体なし）、１ｎｍ～１０μｍ）で変化させたときの、誘電体の質量と不純物モードの透過率の関係を求めた。誘電体の質量は、平板形状の誘電体の底面積を１０ｍｍ²、誘電体の比重を１ｇ／ｃｍ³として算出した。その結果を図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）から、誘電体の質量が増えると、不純物モードの透過率が低下することが分かる。

　（４）　ギャップ部に誘電体が存在する状態での、不純物モードにおける高次モードと透過率との関連特性に関するシミュレーション
　ギャップ部の厚さ方向中央に（第１周期構造部と第２周期構造部との距離が等間隔となるように）平板形状の誘電体が存在する場合の透過率スペクトルをシミュレーション計算した。計算には周期構造部の各層を縦続行列に変換し、各行列の積を散乱行列に変換する方法を用いた。また、計算における周波数分解能は１．２５ＧＨｚである。

　平板形状の誘電体は、比誘電率εｒ＝２．６、誘電損失ｔａｎδ＝０．０１とし、厚さ１μｍとした。求めた透過率スペクトル（誘電体あり）と上述の透過率スペクトル（誘電体なし）を併せて図１１に示す。また、図１１（ａ）は基本モード（最低次の周波数）である１８０ＧＨｚ近傍の透過率スペクトル、図１１（ｂ）は３倍波のモードである５４０ＧＨｚ近傍の透過率スペクトル、図１１（ｃ）は５倍波のモードである９００ＧＨｚ近傍の透過率スペクトルである。高次モードになるにつれて、誘電体によって生じる不純物モードの透過率の減衰が大きくなっていることが分かる。

　なお、誘電体によって不純物モードのピークにおける透過率は、基本モードの場合９１．５％から７９．２％、３倍波の場合７７．３％から３６．２％、５倍波の場合６６．２％から１８．０％に変化している。

　（５）　ギャップ部に誘電体が存在する状態での、不純物モードにおける高次モードと周波数シフト量との関連特性に関するシミュレーション
　ギャップ部の厚さ方向中央に（第１周期構造部と第２周期構造部との距離が等間隔となるように）平板形状の誘電体が存在する場合の透過率スペクトルをシミュレーション計算した。計算には周期構造部の各層を縦続行列に変換し、各行列の積を散乱行列に変換する方法を用いた。また、計算における周波数分解能は０．５ＧＨｚである。

　平板形状の誘電体は、比誘電率εｒ＝２．６、誘電損失ｔａｎδ＝０．０１とし、厚さ４μｍとした。求めた透過率スペクトル（誘電体あり）と上述の透過率スペクトル（誘電体なし）を併せて図１２に示す。また、図１２（ａ）は基本モード（最低次の周波数）である１８０ＧＨｚ近傍の透過率スペクトル、図１２（ｂ）は３倍波のモードである５４０ＧＨｚ近傍の透過率スペクトル、図１２（ｃ）は５倍波のモードである９００ＧＨｚ近傍の透過率スペクトルである。誘電体によって、不純物モードの周波数が低周波側へシフトしている。さらに高次モードになるにつれて不純物モードの周波数シフト量が増加していることが分かる。

　なお、誘電体に起因する不純物モードの周波数シフト量は、基本モードの場合０．５ＧＨｚ、３倍波の場合１．５ＧＨｚ、５倍波の場合２ＧＨｚである。

　（６）　ギャップ部に誘電体が存在する状態での、不純物モードにおける位相特性のシミュレーション
　ギャップ部の厚さ方向中央に（第１周期構造部と第２周期構造部との距離が等間隔となるように）平板形状の誘電体が存在する場合の位相特性をシミュレーション計算した。計算には周期構造部の各層を縦続行列に変換し、各行列の積を散乱行列に変換する方法を用いた。また、計算における周波数分解能は０．５ＧＨｚである。

　平板形状の誘電体は、比誘電率εｒ＝２．６、誘電損失ｔａｎδ＝０．０１とし、厚さ４μｍとした。求めた位相スペクトル（誘電体あり）と誘電体がない場合の位相スペクトルを併せて図１３（ａ）に示す。また、図１３（ａ）について、基本モードである１８０ＧＨｚ近傍での拡大図を図１３（ｂ）に、３倍波のモードである５４０ＧＨｚ近傍での拡大図を図１３（ｃ）に、５倍波のモードである９００ＧＨｚ近傍の拡大図を図１３（ｄ）に示す。ギャップ部に平板上の誘電体が存在することで、不純物モード近傍の周波数において位相が変化している。また、高次モードになるにつれて、誘電体によって生じる位相変化が大きくなっていることが分かる。

　なお、誘電体によって不純物モードの周波数における位相は、基本モードの場合０．９６ｒａｄ（１８０ＧＨｚ）、３倍波の場合１．２９ｒａｄ（５４０ＧＨｚ）、５倍波の場合１．３６ｒａｄ（９００ＧＨｚ）変化している。

　以上のように、本実施例では、導波路を用いなくても不純物モードを生じさせられることが分かる。また、被測定物をギャップ部に配置し、周期的構造体の透過率スペクトルを測定することで、透過率スペクトルに出現する不純物モードのピークの変化や、位相スペクトルの変化から、被測定物の特性を測定できることが分かる。

　（実施例２）
　図６（ａ）、（ｂ）に示す周期的構造体の透過率スペクトルについて測定を行った。

　図６（ａ）、（ｂ）に示される周期的構造体１は、入出力ポート（第１ポート３１および第２ポート３２）および２つの周期構造部（第１周期構造部１１および第２周期構造部１２）と、２つの周期構造部の間のギャップ部２（厚さ８３４μｍ）から構成されている。

　第１周期構造部１１は、高屈折率層１１ａと低屈折率層１１ｂとが交互に積層され、４層の高屈折率層１１ａと３層の低屈折率層１１ｂとからなる計７層から構成され、熱圧着により固定されている。第２周期構造部１２も同様に高屈折率層１２ａと低屈折率層１２ｂとが積層されている。なお、図６（ｂ）は図６（ａ）の第１周期構造部１１の分解斜視図である。

　高屈折率層１１ａ、１２ａは、石英板（比誘電率εｒ＝３．８、誘電損失ｔａｎδ＝０．０００４）から構成され、厚さ２１３μｍであり、１辺が３０ｍｍの正方形である。高屈折率層１１ａには直径４ｍｍの貫通孔１１０が４つ設けられている。

　低屈折率層１１ｂ、１２ｂを構成するのは、厚さ４１７μｍの石英からなる枠板であり、中心に１辺が１４ｍｍの正方形の空間部１１１が設けられている。測定の際、該空間部１１１には、貫通孔１１０を通して乾燥窒素が充填される。テラヘルツ電磁波は空気中の水蒸気による吸収が非常に大きい為である。この空間部１１１が低屈折率層の実質的役割を担い、乾燥窒素が充填された空間部１１１は、比誘電率εｒ＝１、誘電損失ｔａｎδ＝０である。

　また、ギャップ部２も低屈折率層の空間部１１１と同時に乾燥窒素で充填されており、ギャップ部２は比誘電率εｒ＝１、誘電損失ｔａｎδ＝０である。

　（１）　周期的構造体のみの場合の測定
　図６（ａ）、（ｂ）に示す上記周期的構造体に対して、光導電アンテナを用いて直線偏光のテラヘルツパルス波を照射し、検出部で得られたテラヘルツパルス波をフーリエ変換して、得られた透過率スペクトルを図７に示す。図７に示す通り、０．５ＴＨｚから０．６ＴＨｚの周波数帯にフォトニックバンドギャップが現れ、フォトニックバンドギャップ中に不純物モードによるピーク（０．５４ＴＨｚ近傍）が生じていることが分かる。

　（２）　ギャップ部に誘電体が存在する場合の測定
　次に、ギャップ部に被測定物を挿入した場合の透過率スペクトルを測定した。被測定物が保持された試料として、グルコースが保持された多孔質フィルムを準備した。保持するグルコースの量は５段階で変化させた。

　試料の作製手順について述べる。５種類の濃度のグルコース水溶液（０ｎｇ／μＬ、１０ｎｇ／μＬ、３０ｎｇ／μＬ、５０ｎｇ／μＬ、１０００ｎｇ／μＬ）を作製し、それぞれ５枚のメンブレンフィルタに、均一に２０μＬ滴下（滴下面積３９８ｍｍ²）した。
メンブレンフィルタを乾燥容器内で２４時間室温乾燥し、グルコースを析出させた。なお、上記多孔質フィルムとしては、直径５μｍの孔を複数有し、全体の形状が直径４７ｍｍの円盤形状であって、厚さが１００μｍであるポリエチレン製のフィルムを用いた。

　各メンブレンフィルタを１枚ずつ上述の図６に示す周期的構造体のギャップ部の厚さ方向中央に配置し、透過率スペクトルを測定した。その際、メンブレンフィルタを電磁波の進行方向に対して垂直な面内で移動させ、メンブレンフィルタの面内の異なる３点の透過率スペクトルの平均を求めた。測定により得られた透過率スペクトルを図８（ａ）に示す。

　なお、被測定物に照射される電磁波のビーム面積５０．２７ｍｍ²を考慮し、５種類の試料における被測定物の質量を以下の式：
（被測定物の質量）＝［（グルコース水溶液の濃度）×（滴下した水溶液の量）÷（試料の面積）］×（ビーム面積）
により求めた。上記５種類の試料における被測定物（グルコース）の質量は、（ａ）０ｎｇ、（ｂ）２５．２ｎｇ、（ｃ）７５．６ｎｇ、（ｄ）１２６ｎｇ、および、（ｅ）２５００ｎｇであった。図８（ａ）には、この（ａ）～（ｅ）に対応する各々の透過率スペクトルが示されている。

　図８（ａ）に示す結果から、５４９ＧＨｚに生じた不純物モードの透過率がグルコースの量に応じて変化していることが分かる。図８（ｂ）は５４９ＧＨｚにおける透過率と被測定物の質量との関係を示すグラフである。７５．６ｎｇ、１２６ｎｇ、２５００ｎｇのグルコースを有意に判別できている。

　（実施例３）
　周期的構造体におけるギャップ部の厚さを変えたときの透過率スペクトルについて、電磁界解析によるシミュレーション計算を行った。

　図１に示される実施例１のシミュレーションでモデルとした周期的構造体について、ギャップ部１２の厚さを０μｍから５５６μｍまで図９（ａ）に示す７段階の厚さに系統的に変化させた以外は、実施例１と同様にしてシミュレーション計算を行った。ギャップ部１２の厚さに対する透過率スペクトルを図９（ａ）に示す。図９（ｂ）は横軸にギャップ部１２の厚さ、縦軸に不純物モードの周波数または透過率をプロットしたものである。

　図９（ａ）、図９（ｂ）より、ギャップ部１２の厚さに応じて不純物モードの周波数または透過率ともに系統的に変化していることが分かる。すなわち、図９（ａ）、（ｂ）に示されるように、ギャップ部が０μｍから５５６μｍへと大きくなるに従い、不純物モードの透過率ピークの大きさが増加している。また、ギャップ部が０μｍから５５６μｍへと大きくなるに従い、不純物モードの透過率のピークの周波数が減少している。図９（ａ）、（ｂ）の数値データを表１に示す。

　以上のことから、周期的構造体におけるギャップ部の厚さ（２つの周期構造部の位置関係）を制御することによって、任意の周波数に不純物モードを生じさせられることが分かる。その結果、被測定物の周波数特性を広い周波数範囲で得ることができると考えられる。

　（実施例４）
　２つの周期構造部を構成する高屈折率層および低屈折率層の層数もしくは材料と、不純物モードの周波数におけるギャップ部の電界強度の関係について、電磁界解析によるシミュレーション計算を行った。

　本実施例では、高屈折率層１１ａ、１２ａを以下の（ａ）～（ｃ）の３種類とした。
（ａ）　比誘電率εｒ＝９．５、誘電損失ｔａｎδ＝０．００１
（ｂ）　比誘電率εｒ＝３．８、誘電損失ｔａｎδ＝０．０００４
（ｃ）　比誘電率εｒ＝２．４、誘電損失ｔａｎδ＝０．００１
　また、上記（ａ）～（ｃ）の高屈折率層について、高屈折率層と低屈折率層との合計の積層数を変化させた。それ以外は、実施例１のシミュレーションでモデルとした図１に示される周期的構造体と同様の周期的構造体をモデルとしてシミュレーション計算を行った。

　Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の端面を周期境界、Ｚ軸方向の端面は吸収境界とした。第１ポートからは電磁波が入力され、周期的構造体で反射された電磁波を第１ポート３１で、周期的構造体を透過した電磁波を第２ポート３２で検出する。このとき、不純物モードの周波数（５４９ＧＨｚ）におけるギャップ部２の厚さ方向中央の電界強度を求めた。各々の条件における層数と電界強度の関係を図１０に示す。図１０における層数は、第１周期構造部１１における高屈折率層１１ａおよび低屈折率層１１ｂの合計の層数であり、第２周期構造部１２の層数は第１周期構造部１１の層数と同じである。

　図１０に示す結果から、上記（ｂ）の比誘電率εｒ＝３．８、誘電損失ｔａｎδ＝０．０００４の高屈折率層（例えば、石英板からなる高屈折率層がこれに相当する）を選択したとき、ギャップ部の電界強度が最大になることがわかる。すなわち、各種の材料からなる高屈折率層や低屈折率層に対して、電界強度が最大になる層数が存在することがわかる。したがって、第１周期構造部および第２周期構造部を構成する各層の数を制御することで、ギャップ部の電界強度を調整し、被測定物の検出感度を向上させることができる。

　なお、上記実施例においては、周波数特性における不純物モードの周波数または透過率が被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定したが、位相特性が上記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定してもよい。

　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　周期的構造体、１１　第１周期構造部、１１ａ　高屈折率層、１１ｂ　低屈折率層、１１０　貫通孔、１１１　空間部、１２　第２周期構造部、１２ａ　高屈折率層、１２ｂ　低屈折率層、２　ギャップ部、３１　第１ポート、３２　第２ポート、４　フィルム、４１，４３　位置調節機構、４２　距離調節機構、５１，５２　ギャップ調節機構。

Claims

　周期的構造体に被測定物を保持し、前記周期的構造体（１）に電磁波を照射して、前記周期的構造体（１）を透過した電磁波を検出し、前記周期的構造体（１）で分散した電磁波の周波数特性もしくは位相特性が前記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定するための測定装置であって、
　前記周期的構造体（１）は、前記被測定物を配置するためのギャップ部（２）を介して配置された複素誘電率が周期的に変化する第１周期構造部（１１）および第２周期構造部（１２）からなり、
　前記第１周期構造部（１１）へ電磁波を照射する照射部と、前記周期的構造体（１）を透過して前記第２周期構造部（１２）から出射される電磁波を検出する検出部とを備えた測定装置。
　前記第１周期構造部（１１）および第２周期構造部（１２）は、平板形状の高屈折率層と平板形状の低屈折率層とが交互に積層された構造を有する、請求の範囲第１項に記載の測定装置。
　前記周波数特性もしくは位相特性における不純物モードの周波数、透過率または位相が前記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定する、請求の範囲
第１項に記載の測定装置。
　前記周波数特性もしくは位相特性における不純物モードのうち、最低次の周波数の整数倍の周波数における不純物モードの周波数、透過率または位相が、前記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定する、請求の範囲第３項に記載の測定装置。
　前記周期的構造体（１）において、前記ギャップ部（２）の厚さを変化させるためのギャップ調節機構を有する、請求の範囲第１項に記載の測定装置。
　前記ギャップ部（２）に配置された前記被測定物を、ギャップ部（２）内で任意に移動させる為の位置調節機構を有する、請求の範囲第１項に記載の測定装置。
　前記低屈折率層が枠体に囲まれた空間であり、
　前記周期的構造体（１）が、該空間に外部から気体を充填するための構造を有する、請求の範囲第２項に記載の測定装置。
　周期的構造体（１）に被測定物を保持し、前記周期的構造体（１）に電磁波を照射して、前記周期的構造体（１）を透過した電磁波を検出し、前記周期的構造体（１）を透過した電磁波の周波数特性もしくは位相特性が前記被測定物の存在により変化することに基づいて被測定物の特性を測定する測定方法であって、
　前記周期的構造体（１）は、前記被測定物を配置するためのギャップ部（２）を介して配置された複素誘電率が周期的に変化する第１周期構造部（１１）および第２周期構造部（１２）からなり、
　前記第１周期構造部（１１）へ電磁波を照射する工程と、前記周期的構造体（１）を透過して前記第２周期構造部（１２）から出射される電磁波を検出する工程とを含む、測定方法。