(57)【要約】【課題】偏光プローブを用いて高精度に軸方位および位相差を測定できる位相差測定装置を提供すること。【解決手段】試料Ｓの前段の偏光子４１をＰＥＭ４２と一体として回転させる回転機構５を設け、試料Ｓの後段の偏光プローブ２の透過軸に対して、偏光子４１の透過軸の方位角を変更することで、偏光プローブ２で集光される近接場光の光強度信号を取得するので、偏光プローブ２に対して試料Ｓを回転させることも、試料Ｓに対して偏光プローブ２を回転させることも不要となる。また、偏光プローブ２を用いて近接場光を集光することで、試料Ｓの測定面に生じる近接場光を光の波長以下のオーダーの面内空間分解で測定することができる。従って、偏光プローブ２を用いて試料Ｓの軸方位および位相差を高精度に測定することができる。【選択図】      図１
2010175266.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射部からの光を直線偏光にして透過する偏光子と、
前記偏光子からの偏光が照射されることによって試料の測定面に発生する近接場光のうち、所定の振動方向の直線偏光を透過する楕円形状またはスリット形状の開口を有した偏光プローブと、
前記偏光子の透過軸の方位角を前記偏光プローブの透過軸の方位角に対して変更するために前記偏光子を回転させる回転機構と、
前記偏光プローブによって集光された近接場光を検出して光強度信号を生じる検出部と、
前記光強度信号に基づいて、試料に照射される偏光によって生じる進相軸方位の偏光成分と遅相軸方位の偏光成分との位相差、および、試料の軸方位を算出する演算部と、
を備え、前記回転機構が前記偏光子の透過軸を複数の異なる方位角に設定して、前記検出部が設定された前記方位角における近接場光を検出することによって、試料の軸方位および位相差を測定することを特徴とする位相差測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位相差測定装置において、
前記偏光子と試料との間に設けられ前記偏光子からの直線偏光の偏光状態を変調する変調子を備え、
前記回転機構は、前記偏光子の透過軸の方位角と前記変調子の変調軸の方位角との差が常に４５°となるように、前記偏光子および前記変調子を一体として回転させ、かつ、前記偏光プローブの透過軸の方位角を基準として前記偏光子の透過軸の方位角を０°および４５°の２通りの方位角に設定することを特徴とする位相差測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の位相差測定装置において、
前記光強度信号から、前記変調子が偏光状態を変調する際の変調周波数と同じ周波数の信号、および、前記変調周波数の２倍の周波数の信号を抽出する抽出部を備え、
前記演算部は、前記抽出部が抽出する信号の大きさに基づいて試料の軸方位および位相差を算出することを特徴とする位相差測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の位相差測定装置において、
前記抽出部が抽出する信号は、
前記偏光子の透過軸の方位角が０°である場合に前記光強度信号から抽出される前記変調周波数ｆと同じ周波数の信号成分Ｉ０ｆおよび２倍の周波数の信号Ｉ０２ｆと、
前記偏光子の透過軸の方位角が４５°である場合に前記光強度信号から抽出される前記変調周波数の２倍の周波数の信号成分Ｉ４５２ｆであり、
前記演算部は、試料の軸方位θおよび位相差Δを以下の数１に基づいて算出することを特徴とする位相差測定装置。
【数１】
2010175266.tif 000025
【請求項５】
請求項２に記載の位相差測定装置において、
前記偏光子の透過軸の回転範囲が−４５°から９０°であることを特徴とする位相差測定装置。
【請求項６】
請求項２に記載の位相差測定装置において、
前記偏光子の透過軸の回転範囲が０°から１３５°であり、
前記演算部は、
前記偏光子の透過軸の方位角が０°および９０°である場合の前記光強度信号から抽出される前記変調子の変調周波数の２倍の周波数の各信号成分Ｉ０２ｆ，Ｉ９０２ｆの和と、
前記偏光子の透過軸の方位角が４５°および１３５°である場合の前記光強度信号から抽出される前記変調周波数の２倍の周波数の各信号成分Ｉ４５２ｆ，Ｉ１３５２ｆの和と、
を算出して、前記偏光プローブの透過軸の方位角のゼロ点を補正することを特徴とする位相差測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の位相差測定装置において、
前記偏光子の透過軸の回転範囲が−４５°から１８０°であることを特徴とする位相差測定装置。
【請求項８】
請求項１に記載の位相差測定装置において、
前記回転機構が前記偏光子の透過軸を回転させると同時に、
前記検出部が前記偏光子の透過軸の方位角に応じて前記偏光プローブにより集光される近接場光を検出することを特徴とする位相差測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の位相差測定装置において、
前記演算部は、前記偏光子の透過軸の方位角φに応じた前記光強度信号Ｉφを、前記方位角φの２倍の方位角の余弦関数ｃｏｓ２φおよび正弦関数ｓｉｎ２φを用いてフィッティングして、Ｉφ＝１＋Ａｃｏｓ２φ+Ｂｓｉｎ２φで示される係数Ａ，Ｂを取得し、前記係数Ａ，Ｂに基づいて試料の軸方位および位相差を算出することを特徴とする位相差測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の位相差測定装置において、
前記演算部は、試料の軸方位θおよび位相差Δを以下の数２に基づいて算出することを特徴とする位相差測定装置。
【数２】
2010175266.tif 000026
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複屈折試料の軸方位および位相差を測定する位相差測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、露出器用のレンズ硝材などの複屈折試料の軸方位および位相差を測定する装置として、位相差測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この位相差測定装置は、光源からの直線偏光の偏光状態を所定の周波数で変調させて試料に照射し、試料を透過する光の強度を測定し、測定データに基づき軸方位および位相差を算出するものである。
一般的に位相差測定装置では、試料の屈折率の軸を軸立てすることが必要となる。ここで、屈折率の軸とは、試料が複屈折を起こす際の、進相軸および遅相軸を示し、これらの軸の方位角を本文にて軸方位と示す。また、軸立てとは、光軸の回りに試料を回転させて、複屈折に由来する信号の絶対値が最大となる方位に設定することを示す。
【０００３】
一方、一般的な光学顕微鏡または電子顕微鏡とは異なる原理に基づく近接場顕微鏡が開発され、広く用いられている（例えば、特許文献２参照）。近接場顕微鏡は、いわゆる近接場光を検出するものである。すなわち、被測定試料に光を照射すると、被測定物表面付近には近接場光と呼ばれる表面波が発生する。この表面波は光の波長以内の距離領域に局在している。そこで、光の波長以下の先端寸法をもつ先鋭化プローブ、いわゆる近接場プローブを近接場光の場の中に差し込んで近接場光を散乱させ、その散乱光強度を測定することによりプローブ先端と被測定物表面との距離を規定することができる。
例えば、散乱光の強度が一定となるようにプローブを走査することにより、該プローブ先端位置は被測定物表面の凹凸を的確に反映するものとなり、しかもプローブ先端は近接場光の場に存在するのみであり被測定物そのものには接触していないため、試料に対して非接触、非破壊でかつ光の波長の値より小さいものを観察できる。
特許文献２に記載の近接場プローブの先端には、所定の振動方向の直線偏光を得るための楕円形状またはスリット形状の開口が形成されている。このような近接場プローブは、偏光プローブと呼ばれ、散乱光の中から所定の振動方向の直線偏光を集光することができ、集光モード、照射モードのいずれの場合にも、良好な偏光選択性を示す。
【０００４】
発明者らは、特許文献１の位相差測定装置に、特許文献２に記載の近接場を偏光プローブで集光する技術を適用し、試料を透過する光を偏光プローブにより検出することで、従来よりも精度のよい軸方位および位相差を測定できる位相差測定装置の開発に鋭意取り組んできた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１８４２２５号公報
【特許文献２】特開２００２−１６２３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、プローブ先端を試料表面の近接場に対してナノメートル単位で近接させた状態で、試料の軸立てを行うには、偏光プローブに対して試料を回転させなければならない。この場合、プローブ先端を破損しないように試料の中心を高精度に保持しなければならず、回転機構の精度上の制約を受けてしまい、実現することが困難であった。
これに対して、試料を回転させずに位相差を測定する方法として、試料よりも後段に設けられた検光子の軸方位を０°および４５°に設定し、それぞれの設定位置で検出光を測定し、検出信号のうち偏光変調の周波数と同じ周波数の信号成分および偏光変調の周波数の２倍の周波数の信号成分を取り出し、その信号成分に基づいて位相差を算出する方法や、あるいは、検出子を３６０°回転させ、回転角に伴う強度信号を測定し、その振幅と位相から位相差を算出するという方法もある。
しかしながら、これらいずれの測定方法によっても、偏光プローブを用いる場合には、プローブ先端を試料表面に近接させた状態で、偏光プローブの偏光方向を光軸中心に回転させなければならず、偏光プローブの回転機構の精度上の制約を受けて、実施することができなかった。
【０００７】
本発明の目的は、偏光プローブを用いて高精度に軸方位および位相差を測定できる位相差測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の位相差測定装置は、照射部からの光を直線偏光にして透過する偏光子と、前記偏光子からの偏光が照射されることによって試料の測定面に発生する近接場光のうち、所定の振動方向の直線偏光を透過する楕円形状またはスリット形状の開口を有した偏光プローブと、前記偏光子の透過軸の方位角を前記偏光プローブの透過軸の方位角に対して変更するために前記偏光子を回転させる回転機構と、前記偏光プローブによって集光された近接場光を検出して光強度信号を生じる検出部と、前記光強度信号に基づいて、試料に照射される偏光によって生じる進相軸方位の偏光成分と遅相軸方位の偏光成分との位相差、および、試料の軸方位を算出する演算部と、を備え、前記回転機構が前記偏光子の透過軸を複数の異なる方位角に設定して、前記検出部が設定された前記方位角における近接場光を検出することによって、試料の軸方位および位相差を測定することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、試料の前段に設けられる偏光子を回転させる回転機構を設け、試料の後段に設けられる偏光プローブの透過軸に対して、偏光子の透過軸を回転することによって、偏光プローブで集光される近接場光の光強度信号を取得するので、偏光プローブに対して試料を回転させることも、試料に対して偏光プローブを回転させることも不要となる。
また、偏光プローブを用いて近接場光を集光することで、試料の測定面に生じる近接場光を光の波長以下の空間分解で測定することができる。
従って、試料または偏光プローブを回転させる必要がなく、偏光プローブを用いて試料の軸方位および位相差を高い空間分解能で測定することができる。
【００１０】
本発明の位相差測定装置では、前記偏光子と試料との間に設けられ前記偏光子からの直線偏光の偏光状態を変調する変調子を備え、前記回転機構は、前記偏光子の透過軸の方位角と前記変調子の変調軸の方位角との差が常に４５°となるように、前記偏光子および前記変調子を一体として回転させ、かつ、前記偏光プローブの透過軸の方位角を基準として前記偏光子の透過軸の方位角を０°および４５°の２通りの方位角に設定することが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、偏光子および変調子が一体として回転できるように設けられ、偏光子の透過軸の方位角を０°および４５°の２通りの方位角に設定して、設定された各方位角に応じた光強度信号を取得するので、これらの光強度信号の信号を解析すれば、試料に関する２つの未知数である位相差および軸方位を確実に算出できる。
【００１２】
本発明の位相差測定装置では、前記光強度信号から、前記変調子が偏光状態を変調する際の変調周波数と同じ周波数の信号、および、前記変調周波数の２倍の周波数の信号を抽出する抽出部を備え、前記演算部は、前記抽出部が抽出する信号の大きさに基づいて試料の軸方位および位相差を算出することが好ましい。
【００１３】
本発明によれば、変調子によって直線偏光の偏光状態が周期的に変調するので、その変調周波数（ｆ）を参照して、光強度信号から等しい周波数の信号成分(ｆ信号)、および、２倍の周波数の信号成分(２ｆ信号)を容易に抽出することができ、試料の位相差および軸方位を短時間で算出することができる。
【００１４】
本発明の位相差測定装置では、前記抽出部が抽出する信号は、前記偏光子の透過軸の方位角が０°である場合に前記光強度信号から抽出される前記変調周波数ｆと同じ周波数の信号成分Ｉ０ｆおよび２倍の周波数の信号Ｉ０２ｆと、前記偏光子の透過軸の方位角が４５°である場合に前記光強度信号から抽出される前記変調周波数の２倍の周波数の信号成分Ｉ４５２ｆであり、前記演算部は、試料の軸方位θおよび位相差Δを以下の数１に基づいて算出することが好ましい。
【数１】
2010175266.tif 000003
【００１５】
本発明によれば、抽出部で信号成分Ｉ０ｆ，Ｉ０２ｆおよびＩ４５２ｆを抽出するだけで、数１に基づいて試料の位相差および軸方位を迅速かつ簡単に算出することができる。
【００１６】
本発明の位相差測定装置では、前記偏光子の透過軸の回転範囲が−４５°から９０°であることが好ましい。
【００１７】
本発明によれば、偏光プローブの透過軸の方位角が不明であっても、偏光子の透過軸の方位角を−４５°から９０°の範囲で変化させることで、偏光子の透過軸を偏光プローブの透過軸に一致させることができる。従って、偏光プローブの透過軸の設定作業を省略することができ、測定作業の効率化を図ることができる。
【００１８】
本発明の位相差測定装置では、前記偏光子の透過軸の回転範囲が０°から１３５°であり、前記演算部は、前記偏光子の透過軸の方位角が０°および９０°である場合の前記光強度信号から抽出される前記変調子の変調周波数の２倍の周波数の各信号成分Ｉ０２ｆ，Ｉ９０２ｆの和と、前記偏光子の透過軸の方位角が４５°および１３５°である場合の前記光強度信号から抽出される前記変調周波数の２倍の周波数の各信号成分Ｉ４５２ｆ，Ｉ１３５２ｆの和と、を算出して、前記偏光プローブの透過軸の方位角のゼロ点を補正することが好ましい。
【００１９】
本発明によれば、偏光子の透過軸が０°から１３５°の範囲で回転できるので、偏光子の透過軸の各方位角が０°，４５°，９０°および１３５°である場合の光強度信号の信号成分Ｉ０２ｆ，Ｉ４５２ｆ，Ｉ９０２ｆおよびＩ１３５２ｆを取得することができる。信号成分Ｉ０２ｆ，Ｉ９０２ｆは、互いに等価かつ逆符号であり、また、信号成分Ｉ４５２ｆ，Ｉ１３５２ｆも、互いに等価かつ逆符号であるので、これらの信号成分の和（Ｉ０２ｆ＋Ｉ９０２ｆ，Ｉ４５２ｆ＋Ｉ１３５２ｆ）を用いて、偏光プローブの軸方位のゼロ点を補正することができる。
【００２０】
本発明の位相差測定装置では、前記偏光子の透過軸の回転範囲が−４５°から１８０°であることが好ましい。
【００２１】
本発明によれば、偏光プローブの透過軸の方位角が不明であっても、偏光子の透過軸の方位角を−４５°から１８０°の範囲で変化させることで、偏光子の透過軸を偏光プローブの透過軸に一致させることができる。従って、偏光プローブの透過軸の設定作業を省略することができ、測定作業の効率化を図ることができる。
【００２２】
本発明の位相差測定装置では、前記回転機構が前記偏光子の透過軸を回転させると同時に、前記検出部が前記偏光子の透過軸の方位角に応じて前記偏光プローブにより集光される近接場光を検出することが好ましい。
【００２３】
この際、前記演算部は、前記偏光子の透過軸の方位角φに応じた前記光強度信号Ｉφを、前記方位角φの２倍の方位角の余弦関数ｃｏｓ２φおよび正弦関数ｓｉｎ２φを用いてフィッティングして、Ｉφ＝１＋Ａｃｏｓ２φ+Ｂｓｉｎ２φで示される係数Ａ，Ｂを取得し、前記係数Ａ，Ｂに基づいて試料の軸方位および位相差を算出することが好ましい。
【００２４】
本発明によれば、偏光子の透過軸の方位角φ毎に、光強度信号Ｉφを取得するので、光強度信号Ｉφを余弦関数ｃｏｓ２φおよび正弦関数ｓｉｎ２φでフィッティングして、Ｉφ＝１＋Ａｃｏｓ２φ+Ｂｓｉｎ２φで示される係数Ａ，Ｂを容易に算出することができ、試料の位相差および軸方位を短時間で算出することができる。
【００２５】
本発明の位相差測定装置では、前記演算部は、試料の軸方位θおよび位相差Δを以下の数２に基づいて算出することが好ましい。
【数２】
2010175266.tif 000004
【００２６】
本発明によれば、演算部で係数Ａ，Ｂを算出するだけで、数２に基づいて試料の位相差および軸方位を迅速かつ簡単に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る位相差測定装置の概略構成を示す図。
【図２】前記位相差測定装置の各光学素子の偏光の軸方位の関係を示す説明図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る位相差測定装置の概略構成を示す図。
【図４】前記位相差測定装置の各光学素子の偏光の軸方位の関係を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、後述する第２実施形態以降において、以下に説明する第１実施形態での構成部材と同じ構成部材および同様な機能を有する構成部材には同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。
【００２９】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態の位相差測定装置の概略構成を示す図である。
位相差測定装置１は、近接場光から所定の振動方向の直線偏光を得るための楕円形状またはスリット形状の開口を有する偏光プローブ２を用いて、従来の位相差測定装置では限界と考えられていた高い空間分解能を達成できるというものである。
【００３０】
位相差測定装置１は、全体構成として、特定の波長域の光を発生する照射部３と、照射部３からの光から直線偏光を得て偏光状態を周期的に変調させる変調部４と、変調部４の回転機構５と、変調部４からの偏光の照射により試料Ｓの測定面に発生する近接場光を集光する偏光プローブ２と、集光された近接場光を検出する検出器６と、各構成を駆動制御する制御部７と、検出器６からの検出信号に基づいて試料Ｓの位相差および軸方位を算出する演算部８とを備えている。
【００３１】
照射部３は、図示しない光源および分光器３１を備える。
変調部４は、照射部３からの光を透過し直線偏光にする偏光子４１と、例えば光弾性変調子で構成される変調子（以降、ＰＥＭ４２と示す）と、ＰＥＭ４２を駆動制御するＰＥＭコントローラ４３とを含んでいる。
ＰＥＭ４２は、偏光子４１からの直線偏光に位相差δを付与し、偏光方向を周波数ｆで変調させる。ＰＥＭ４２は、ＰＥＭコントローラ４３に接続され、このＰＥＭコントローラ４３によって周波数ｆの交流電圧を加えられる。例えば、上記の位相差δは、δ＝δ０ｓｉｎ（２πｆｔ）のように正弦変調するものとなる。ここでｔは時間、δ０は振幅を示す。
【００３２】
偏光プローブ２は、良好な偏光選択性を備えた近接場プローブであり、その先端２１と試料Ｓの測定面との間隔がナノメートル単位の寸法となるように、試料Ｓに近接して保持されている。
なお、本実施形態では、図１に示すように、ＰＥＭ４２で変調された偏光が試料Ｓを透過し、その透過光によって試料Ｓの測定面に発生する近接場光が偏光プローブ２で集光される構成としたが、これに限られず、ＰＥＭ４２で変調された偏光の反射光によって発生する近接場光が偏光プローブ２で集光される構成としてもよい。
【００３３】
次に、前述の変調部４を光軸周りに回転させる回転機構５について、図２も参照して説明する。
図２は、各光学素子の偏光の軸方位の関係を示す説明図である。図中、光軸をＺ軸とし、Ｘ−Ｙ平面においてＸ軸と一致する軸方位を基準とし、その方位角を０°とする。
回転機構５は、偏光子４１およびＰＥＭ４２をＺ軸周りに回転させて偏光子４１の透過軸の方位角を変更する。なお、偏光子４１およびＰＥＭ４２は一体として回転できるように支持されているが、偏光子４１の透過軸の方位角とＰＥＭ４２の変調軸の方位角との差は常に４５°となるように設けられている。
一方、回転機構５により偏光子４１の透過軸の方位角を、０°および４５°に設定できるようになっている。図中、例えば偏光子４１の透過軸の方位角が０°に設定された場合を実線で示し、４５°に設定された場合を破線で示している。透過軸が４５°に設定された場合、透過軸はＸ−Ｙ平面におけるＹ＝Ｘの直線と一致する。
【００３４】
一方、前述の偏光プローブ２は、楕円形状またはスリット形状の開口の長軸方向に垂直な方向の透過軸を有し、透過軸方向に振動する直線偏光を選択的に集光する。偏光プローブ２の透過軸の方位角は４５°に固定されている。なお、偏光プローブ２の詳細な形状については、前述の特許文献２に記載されているとおりである。
【００３５】
検出器６は、本発明の検出部に相当し、偏光子４１の方位角が０°および４５°に設定された状態で、偏光プローブ２で集光された検出光の受光量を検出し、光強度信号として出力する。検出器６としては、例えば、光電子増倍管（ＰＭＴ）を採用できる。
制御部７は、ＳＰＭ(Scanning Probe Microscope) 電気系制御部７１およびエリプソ電気系制御部７２を有する。ＳＰＭ電気系制御部７１は、例えば、試料Ｓの載置テーブル９をマッピング制御やＳＦ制御する制御部１０と接続し、主に偏光プローブ２の走査を制御する。エリプソ電気系制御部７２は、例えば、分光器３１、回転機構５、検出器６およびＰＥＭコントローラ４３と接続し、偏光プローブ２で集光された検出光の検出に関わる機器を制御する。
【００３６】
検出器６からの検出信号は、エリプソ電気系制御部７２に内蔵された図示しない抽出部としてのロックインアンプへ送られる。ロックインアンプは、ＰＥＭ４２に加えられる周波数ｆおよび２倍の周波数２ｆを参照して、検出信号の周波数ｆの信号成分（ｆ信号と呼ぶ。）および周波数２ｆの信号成分（２ｆ信号と呼ぶ。）を抽出する。ｆ信号および２ｆ信号は、ＣＰＵ等の演算部８へ送られる。演算部８では、ｆ信号および２ｆ信号に基づき、記憶された計算手順に従って試料Ｓの軸方位および位相差が算出される。
【００３７】
以上の位相差測定装置１を用いて、試料Ｓを測定する原理について説明する。
まず、複屈折性物質である試料Ｓの進相軸の方位角である軸方位をθ、位相差（リタデーション）をΔ、２色性をΨとすると、試料Ｓを表すミューラー行列Ｒθは下記数３で示される。ここで、位相差Δは、進相軸方位の偏光成分と遅相軸方位の偏光成分との試料射出時の位相差を示す。
【数３】
2010175266.tif 000005
【００３８】
次に、透過軸の方位角が４５°である偏光プローブ２を表すミューラー行列Ａ４５は下記数４で示される。
【数４】
2010175266.tif 000006
【００３９】
ここで、数３と数４とを掛け合わせてファクタ１／２を除した行列Ａ４５Ｒθは、下記数５となる。紙面上の制約のため、転置行列(Ａ４５Ｒθ)−ｔを示す。
【数５】
2010175266.tif 000007
【００４０】
試料Ｓに照射される照射光を示すストークスベクトルＳ０について説明する。
透過軸の方位角を０°に設定された偏光子４１を透過し、変調軸の方位角が４５°に設定されたＰＥＭ４２により位相差δが付与され偏光状態を変調された照射光のストークスベクトルＳ０は、下記数６で示される。
【数６】
2010175266.tif 000008
【００４１】
ここで、偏光子４１とＰＥＭ４２との各方位角の差は常に４５°としたのは、最も変調効率が良いからである。なお。偏光子４１とＰＥＭ４２との各方位角の差を最適角４５°以外の任意の角度に設定しても構わない。
【００４２】
照射光によって試料Ｓの測定面に発生する近接場光のうち、偏光プローブ２で集光され検出器６で検波される検出光のストークスベクトルをＳ０とすると、ストークスベクトルＳ０の第１成分、つまり検出光の光強度信号Ｉ０を表す式は、数６を行列Ａ４５Ｒθに掛けた結果(Ａ４５ＲθＳ０)の第１成分であり、下記の数７となる。
【数７】
2010175266.tif 000009
【００４３】
同様に、透過軸の方位角が４５°に設定された偏光子４１を透過し、変調軸の方位角が９０°に設定されたＰＥＭ４２により偏光状態を変調された照射光のストークスベクトルＳ４５は、下記数８で示される。
【数８】
2010175266.tif 000010
【００４４】
この照射光を用いて、偏光プローブ２で集光され検出器６で検波される検出光のストークスベクトルをＳ４５とすると、ストークスベクトルＳ４５の第１成分、つまり光強度信号Ｉ４５を表す式は、数８を行列Ａ４５Ｒθに掛けた結果(Ａ４５ＲθＳ４５)の第１成分であり、下記の数９となる。
【数９】
2010175266.tif 000011
【００４５】
上記の光強度信号Ｉ0，Ｉ45の式中、ｓｉｎδの係数は、ＰＥＭ４２の変調周波数ｆと同じ周波数成分Ｉ０ｆ，Ｉ４５ｆとなり、検出器６の検出信号から抽出されるｆ信号によって取得される。Ｉ０ｆ，Ｉ４５ｆは、下記の数１０で表わされ、互いに大きさが等価で、符号が異なる関係となっている。
【数１０】
2010175266.tif 000012
【００４６】
また、光強度信号Ｉ０，Ｉ４５の式中、ｃｏｓδの係数は、ＰＥＭ４２の変調周波数ｆの２倍の周波数の信号成分Ｉ０２ｆ，Ｉ４５２ｆとなり、検出器６の検出信号から抽出される２ｆ信号によって取得される。Ｉ０２ｆ，Ｉ４５２ｆは、下記の数１１で表わされる。
【数１１】
2010175266.tif 000013
【００４７】
上記の各信号成分の式において、Ψ＝４５°、つまり試料Ｓの２色性がゼロとする。
【数１２】
2010175266.tif 000014
【００４８】
２ｆ信号に関する数１２の式は、下記の数１３のように変形できる。
【数１３】
2010175266.tif 000015
【００４９】
従って、数１３から得られる下記の数１４を用いれば、０°方位および４５°方位の２ｆ信号（Ｉ０２ｆ，Ｉ４５２ｆ）に基づいて軸方位θを算出し、この軸方位θ、０°方位のｆ信号（Ｉ０ｆ）および２ｆ信号（Ｉ０２ｆ）に基づいて位相差Δを算出することができる。
【数１４】
2010175266.tif 000016
【００５０】
以上の測定原理に基づく測定方法について説明する。
本実施形態の測定方法は、変調部４を４５°回転させて、偏光子４１の方位角を０°および４５°の２通りに設定し、設定された各方位角において偏光プローブ２で集光される検出光を検出する手法である。
事前に、試料Ｓが設置されていない状態で、偏光プローブ２に対して変調部４を回転させて、２ｆ信号（例えば１００ｋＨｚ信号）がゼロとなる方位に偏光子４１の方位角を設定する。あるいは、偏光プローブ２が光軸に対して回転可能に設けられている場合であれば、偏光プローブ２の軸方位を回転させて２ｆ信号がゼロとなる方位に偏光プローブ２の方位角を設定してもよい。以上の方法により、偏光プローブ２の方位角を、偏光子４１の方位角に対して４５°方位とすることができる。続いて、試料Ｓを設置した状態で、試料Ｓを光軸周りに回転させる。そして、ｆ信号（例えば５０ｋＨｚ信号）の絶対値が最大となる方位に試料Ｓの方位角を設定する。このようにして試料Ｓの軸立てを行うことができる。
本実施形態の測定方法においては、まず、変調部４を用いて偏光子４１の透過軸の方位角を０°に設定して測定を行い、検出器６にて検出信号を取得する。
次に、偏光子４１の方位角を４５°に設定して測定を行い、検出信号を取得する。
各検出信号より制御部７にてｆ信号および２ｆ信号を抽出する。
最後に、演算部８にてｆ信号および２ｆ信号に基づいて数１４により、試料Ｓの軸方位θおよび位相差Δを算出する。
【００５１】
なお、本実施形態では、偏光プローブ２の透過軸の向きを予め４５°の方位角に設定した上で、偏光子４１の透過軸を２通りに設定する方法を説明したが、例えば、回転機構５が偏光子４１の方位角を変更できる範囲、つまり、偏光子４１の回転範囲を−４５°から９０°としてもよい。
このようにすれば、偏光プローブ２の透過軸の方位角が不明であっても、偏光子４１の透過軸の方位角を−４５°から９０°の範囲で変化させることで、偏光子４１の透過軸を偏光プローブ２の透過軸に一致させることができる。従って、偏光プローブ２の透過軸の設定作業を省略することができ、測定作業の効率化を図ることができる。
【００５２】
あるいは、回転機構５による偏光子４１の回転範囲を０°から１３５°としてもよい。
この場合、偏光子４１の透過軸の方位角を０°，４５°，９０°および１３５°として、周波数の２倍の光強度信号の信号成分Ｉ０２ｆ，Ｉ４５２ｆ，Ｉ９０２ｆおよびＩ１３５２ｆを取得できる。信号成分Ｉ０２ｆ，Ｉ９０２ｆは、互いに等価かつ逆符号であり、また、信号成分Ｉ４５２ｆ，Ｉ１３５２ｆも、互いに等価かつ逆符号であるので、これらの信号成分の和（Ｉ０２ｆ＋Ｉ９０２ｆ，Ｉ４５２ｆ＋Ｉ１３５２ｆ）を用いて、偏光プローブ２の軸方位のゼロ点を補正すれば、測定精度の向上を図ることができる。
【００５３】
前述のようにゼロ点を補正する場合には、さらに、偏光子４１の回転範囲を−４５°から１８０°としてもよい。
このようにすれば、前述と同様に、偏光プローブ２の透過軸の方位角が不明であっても、偏光子４１の透過軸の方位角を−４５°から１８０°の範囲で変化させることで、偏光子４１の透過軸を偏光プローブ２の透過軸に一致させることができ、測定作業の効率化を図ることができる。
【００５４】
本実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
試料Ｓの前段の偏光子４１をＰＥＭ４２と一体として回転させる回転機構５を設け、試料Ｓの後段に設けられる偏光プローブ２の透過軸に対して、偏光子４１の透過軸の方位角を変更することによって、偏光プローブ２で集光される近接場光の光強度信号を取得するので、偏光プローブ２に対して試料Ｓを回転させることも、試料Ｓに対して偏光プローブ２を回転させることも不要となる。
【００５５】
さらには、偏光プローブ２を用いて近接場光を集光することで、試料Ｓの測定面に生じる近接場光を光の波長以下の空間分解で測定することができ、光の回折限界を超えて試料Ｓの軸方位および位相差を高い空間分解能で測定することができる。
【００５６】
また、偏光子４１の透過軸の方位角を０°および４５°の２通りの方位角に設定して、設定された各方位角に応じた光強度信号Ｉ０，Ｉ４５を取得するので、これらの光強度信号Ｉ０，Ｉ４５の信号を解析すれば、試料Ｓに関する２つの未知数である軸方位θおよび位相差Δを確実に算出できる。
【００５７】
また、ＰＥＭ４２によって直線偏光の偏光状態が周期的に変調するので、その変調周波数(ｆ)を参照して、光強度信号Ｉ０，Ｉ４５から等しい周波数の信号成分(ｆ信号)、および、２倍の周波数の信号成分(２ｆ信号)を容易に抽出することができ、試料Ｓの軸方位θおよび位相差Δを短時間で算出することができる。
その際、抽出された信号成分Ｉ０ｆ，Ｉ０２ｆおよびＩ４５２ｆに基づき、数１４を用いて試料Ｓの軸方位θおよび位相差Δを迅速かつ簡単に算出することができる。
【００５８】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る位相差測定装置について図３および図４に基づいて説明する。
図３は、位相差測定装置１Ａの概略構成を示す図である。
位相差測定装置１Ａは、前述の実施形態の測定装置と比較して、変調部４の回転機構５に代えて偏光子４１を回転させる回転機構５Ａを備えている構成が相違する。その他の構成は前述の実施形態と略同様である。すなわち、位相差測定装置１Ａは、偏光子４１を３６０°回転させて回転角度に応じた検出光を検出する回転偏光子法によって、試料Ｓの位相差および軸方位を算出する場合に使用できるものである。なお、本実施形態は、前述のＰＥＭを備えていない構成であるが、本実施形態においても、偏光子４１と試料Ｓとの間に変調部としてＰＥＭを設けてもよい。
【００５９】
測定原理について図４も参照して説明する。図４は、各光学素子の偏光の軸方位の関係を示す説明図である。
偏光子４１の透過軸の方位角をφとすると、偏光子４１を表すミューラー行列Ｐφは下記数１５で示される。
【数１５】
2010175266.tif 000017
【００６０】
偏光子４１を透過する照射光のストークスベクトルＳφは、係数の１／２を除いて下記数１６で示される。
【数１６】
2010175266.tif 000018
【００６１】
軸方位θ、位相差Δの試料Ｓのミューラー行列Ｒθは、前述の数３で示されるが、ここでは、試料Ｓの２色性をゼロ（Ψ＝４５°）として、下記数１７で示される。
【数１７】
2010175266.tif 000019
【００６２】
試料Ｓの透過光のストークスベクトルＳφは、数１６のベクトルを数１７の行列に右から掛けることで得られ、下記数１８で示される。
【数１８】
2010175266.tif 000020
【００６３】
透過軸の方位角が４５°である偏光プローブ２を表すミューラー行列Ａ４５は前述の数４で示される。
照明光により試料Ｓの測定面に発生する近接場光のうち、偏光プローブ２で集光され検出器６で検波される検出光のストークスベクトルをＳφ’とすると、ストークスベクトルＳφ’の第１成分、つまり検出光の光強度信号Ｉφを表す式は、数１８を数４に右から掛けた結果の第１成分であり、下記の数１９となる。
【数１９】
2010175266.tif 000021
【００６４】
数１９中、ｃｏｓ２φおよびｓｉｎ２φの係数をそれぞれＡ，Ｂとすると、光強度信号Ｉφは、下記の数２０で表わされる。
【数２０】
2010175266.tif 000022
【００６５】
係数Ａ，Ｂは、前述の実施形態の偏光子４１とＰＥＭ４２とを一体で４５°回転させる方法における、０°方位および４５°方位の２ｆ信号（数１２）と一致し、下記数２１としても示される。
【数２１】
2010175266.tif 000023
【００６６】
つまり、偏光子４１の方位角φの２倍の方位角の検出信号をｓｉｎ２φおよびｃｏｓ２φの関数にあてはめ（データフィッテング）、係数Ａ，Ｂを取得して、下記数２２によって、試料の軸方位θおよび位相差Δを算出することができる。
【数２２】
2010175266.tif 000024
【００６７】
以上の測定原理に基づくことにより、偏光子４１を回転させて、回転角φに応じて偏光プローブ２で集光される検出光が検出器６で検出されれば、演算部８において検出信号から係数Ａ，Ｂが取得され、これによって試料の軸方位θおよび位相差Δが算出される。
【００６８】
このような本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
試料Ｓの前段の偏光子４１を回転させる回転機構５Ａを設け、試料Ｓの後段に設けられる偏光プローブ２の透過軸に対して、偏光子４１の透過軸の方位角φに応じて偏光プローブ２で集光される近接場光の光強度信号Ｉφを取得するので、偏光プローブ２に対して試料Ｓを回転させることも、試料Ｓに対して偏光プローブ２を回転させることも不要となる。
さらには、偏光プローブ２を用いて近接場光を集光することで、試料Ｓの測定面に生じる近接場光を光の波長以下の空間分解で測定することができ、光の回折限界を超えて試料Ｓの軸方位および位相差を高い空間分解能で測定することができる。
【００６９】
また、偏光子４１の透過軸の方位角φ毎に、光強度信号Ｉφを取得するので、光強度信号Ｉφを余弦関数ｃｏｓ２φおよび正弦関数ｓｉｎ２φでフィッティングして、Ｉφ＝１＋Ａｃｏｓ２φ+Ｂｓｉｎ２φで示される係数Ａ，Ｂを容易に算出することができ、数２２に基づいて試料の軸方位θおよび位相差Δを短時間で算出することができる。
【００７０】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、複屈折試料の軸方位および位相差を測定する位相差測定装置に利用できる他、測定された軸方位または位相差を用いて他の特性等を測定する装置などにも広く利用することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１，１Ａ  位相差測定装置
２        偏光プローブ（近接場プローブ）
３        照射部
４        変調部
５，５Ａ  回転機構
６        検出器（検出部）
８        演算部 
４１      偏光子
４２      ＰＥＭ（変調子）
Ｓ        試料
【図１】
2010175266.tif 000027
【図２】
2010175266.tif 000028
【図３】
2010175266.tif 000029
【図４】
2010175266.tif 000030