(57)【要約】  【課題】  より簡便に測定対象物の位相差を測定できる位相差発生装置、位相差発生方法及びそれに用いる位相差発生部材を提供する。  【解決手段】  移動ステージＳＴを用いて位相差発生部材ＰＧを移動させつつ、受光素子ＰＤで検出される受光量が最大となる最大光量位置を探索し、かかる最大光量位置が探索されたときに、その位置における位相差発生部材ＰＧの発生した位相差ΔＰ１と、測定対象物の発生した位相差ΔＰ２とを足したものがλ／４になったと判断できるので、未知の位相差ΔＰ２＝λ／４−ΔＰ１として求めることができる。【選択図】    図２
2006208341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
受光素子と、
第１の方向に偏光方向を有する第１偏光子と、
前記第１の方向と異なる第２の方向に偏光方向を有する第２偏光子と、
光束が通過する位置に応じて異なる位相差を発生させる位相差発生部材と、
前記位相差発生部材を相対変位させる変位手段と、を有し、
前記光源から出射された光束は、前記第１偏光子と、測定対象物と、前記位相差発生部材と、前記第２偏光子とを通過させた後、前記受光素子により受光されるようになっており、
前記受光素子は、前記変位手段によって前記位相差発生部材を相対変位させることで前記位相差発生部材の異なる位置を通過した光束を受光し、前記異なる位置を通過した光束を受光することに応じて前記受光素子から出力される信号を比較することで、前記測定対象物の発生する位相差を検出するようになっていることを特徴とする位相差測定装置。
【請求項２】
前記位相差発生部材は、光束が通過する位置を変更することにより、連続的に異なる位相差を発生させることを特徴とする請求項１に記載の位相差測定装置。
【請求項３】
前記光源から出射された光束を、第１の方向に偏光方向を有する第１偏光子と、測定対象物と、光束が通過する位置に応じて異なる位相差を発生させる位相差発生部材と、前記第１の方向と異なる第２の方向に偏光方向を有する第２偏光子とを介して受光素子により受光させ、
前記位相差発生部材における光束が通過した位置と、前記受光素子から出力される信号とに基づいて、前記測定対象物の発生する位相差を検出することを特徴とする位相差測定方法。
【請求項４】
前記位相差発生部材は、光束が通過する位置を変更することにより、連続的に異なる位相差を発生させることを特徴とする請求項３に記載の位相差測定方法。
【請求項５】
光束が通過する位置に応じて異なる位相差を発生させる位相差発生部材であって、光束が通過する面に構造性複屈折を有する微細形状を設けており、前記微細形状は光束が通過する位置に応じて異なる位相差を発生させることを特徴とする位相差発生部材。
【請求項６】
前記微細形状は、周期的な複数の壁を有し、前記壁の高さは、位置に応じて異なっていることを特徴とする請求項５に記載の位相差発生部材。
【請求項７】
前記微細形状は、周期的な複数の壁を有し、前記壁の幅は、位置に応じて異なっていることを特徴とする請求項５に記載の位相差発生部材。
【請求項８】
前記微細形状のアスペクト比は１以上であることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の位相差発生部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相差発生装置、位相差発生方法及び位相差発生部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば光ピックアップ装置に用いる１／４波長板などが設計通りの位相差を発生できるか否かを測定することがあるが、測定対象物の位相差を測定する公知の位相差測定方法を用いて、かかる測定を行うことができる。このような位相差測定方法の一つにセナルモン法と呼ばれるものがある。セナルモン法においては、光源から照射された光束を、偏光子、測定対象物、１／４波長板、検光子の順に透過させ、最後にディテクタで受光する。このとき偏光子と検光子はクロスニコル位置になっているものとする。偏光子により直線偏光になった光は、対角位置（45°）に置かれた測定対象物の複屈折により一般に楕円偏光になる。次にこの楕円偏光が偏光子と進相軸が同じ１／４波長板を通ることにより傾きθ°もった直線偏光に変換される。この角度θ°を検光子の消光位により読み取れば、測定対象物の位相差δは、δ＝（λ/180）×θ°で求めらることができる（非特許文献１参照）
【非特許文献１】シグマ光機株式会社のウェブカタログ、［平成１６年１２月２２日検索］、ＵＲＬ：http://www.sigma-koki.com/A/Apas/APAS.html
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に記載の技術では、光束の光軸を合わせることが難しく、それにより測定精度が影響されるという問題がある。かかる問題に対し、従来とは異なる視点から、測定対象物の発生する位相差を求める技術が望まれている。
【０００４】
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、より簡便に測定対象物の位相差を測定できる位相差発生装置、位相差発生方法及びそれに用いる位相差発生部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の本発明の位相差発生装置は、
光源と、
受光素子と、
第１の方向に偏光方向を有する第１偏光子と、
前記第１の方向と異なる第２の方向に偏光方向を有する第２偏光子と、
光束が通過する位置に応じて異なる位相差を発生させる位相差発生部材と、
前記位相差発生部材を相対変位させる変位手段と、を有し、
前記光源から出射された光束は、前記第１偏光子と、測定対象物と、前記位相差発生部材と、前記第２偏光子とを通過させた後、前記受光素子により受光されるようになっており、
前記受光素子は、前記変位手段によって前記位相差発生部材を相対変位させることで前記位相差発生部材の異なる位置を通過した光束を受光し、前記異なる位置を通過した光束を受光することに応じて前記受光素子から出力される信号を比較することで、前記測定対象物の発生する位相差を検出するようになっていることを特徴とする。
【０００６】
第１の本発明の位相差発生装置によれば、前記光源から出射された光束を、前記第１偏光子と、測定対象物と、前記位相差発生部材と、前記第２偏光子とを通過させ、更に前記受光素子により受光したときに、前記受光素子から出力される信号は、前記光束が通過した前記位相差発生部材の位置に応じて異なる値となるので、予め前記位相差発生部材の位置と、発生する位相差との関係を求めておけば、前記変位手段によって前記位相差発生部材を相対変位させることで、前記位相差発生部材の位置を振り、異なる位置を通過した光束を受光することで得られた値同士を比較することで例えばピーク値を求め、かかるピーク値が得られた時点での前記位相差発生部材の位置即ち発生した位相から、前記測定対象物の発生した位相を求めることができる。かかる位相差発生装置は、より簡易に測定対象物の位相差を求めることができる。
【０００７】
尚、第１の偏光方向と第２の偏光方向とは直交していると好ましいが、それ以外の角度（ただし１８０°及びその倍数を除く）であっても良い。又、前記光源と前記受光素子との間における、測定対象物と、前記位相差発生部材との配列関係も、以上に限られることなく順不同であってよい。
【０００８】
更に、前記位相差発生部材は、光束が通過する位置を変更することにより、連続的に異なる位相差を発生させると、前記位相差発生部材に光源を照射させながら連続的に変位させることで、ピーク値を探索することができる。
【０００９】
第２の本発明の位相差発生方法は、
前記光源から出射された光束を、第１の方向に偏光方向を有する第１偏光子と、測定対象物と、光束が通過する位置に応じて異なる位相差を発生させる位相差発生部材と、前記第１の方向と異なる第２の方向に偏光方向を有する第２偏光子とを介して受光素子により受光させ、
前記位相差発生部材における光束が通過した位置と、前記受光素子から出力される信号とに基づいて、前記測定対象物の発生する位相差を検出することを特徴とする。
【００１０】
第２の本発明の位相差発生方法によれば、前記光源から出射された光束を、前記第１偏光子と、測定対象物と、前記位相差発生部材と、前記第２偏光子とを通過させ、更に前記受光素子により受光したときに、前記受光素子から出力される信号は、前記光束が通過した前記位相差発生部材の位置に応じて異なる値となるので、予め前記位相差発生部材の位置と、発生する位相差との関係を求めておけば、前記位相差発生部材を相対変位させることで、前記位相差発生部材の位置を振り、異なる位置を通過した光束を受光することで得られた値同士を比較することで例えばピーク値を求め、かかるピーク値が得られた時点での前記位相差発生部材の位置即ち発生した位相から、前記測定対象物の発生した位相を求めることができる。かかる位相差発生方法によれば、より簡易に測定対象物の位相差を求めることができる。
【００１１】
更に、前記位相差発生部材は、光束が通過する位置を変更することにより、連続的に異なる位相差を発生させると、前記位相差発生部材に光源を照射させながら連続的に変位させることで、ピーク値を探索することができる。
【００１２】
第３の本発明の位相差発生部材は、光束が通過する位置に応じて異なる位相差を発生させる位相差発生部材であって、光束が通過する面に構造性複屈折を有する微細形状を設けており、前記微細形状は光束が通過する位置に応じて異なる位相差を発生させることを特徴とする。
【００１３】
ここで、構造性複屈折について説明する。構造性複屈折とは、微細構造の方向性によって発生する複屈折をいい、例えば複屈折特性を持たない屈折率の異なる平板を光の波長より十分小さい（＜λ／２）周期で平行に並べた微細周期構造（いわゆるラインアンドスペース構造）は、複屈折特性を発生することが知られている（Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ，  Ｍａｘ  Ｂｏｒｎ  ａｎｄ  Ｅｍｉｌ  Ｗｏｌｆ，  ＰＥＲＧＡＭＯＮ  ＰＲＥＳＳ  ＬＴＤ．参照）。偏光方向が溝に平行な光の屈折率ｎpと、垂直な光の屈折率ｎvとは、それぞれ、
ｎp＝（ｔｎ12＋（１−ｔ）ｎ22）1/2                  （１）
ｎv＝１／（ｔ／ｎ12＋（１−ｔ）／ｎ22）1/2          （２）
となる。ｎ1，ｎ2はそれぞれ微細周期構造が形成された物質（ライン）の屈折率と、溝を埋める物質（スペース）の屈折率であり、また、ｔは微細周期構造のｄｕｔｙ比であり、
ｔ＝ｗ1／（ｗ1＋ｗ2）                              （３）
である。
【００１４】
水晶や方解石などの持つ複屈折特性は、その物質固有のものであり、変えることがほとんどできないものであるのに対して、微細周期構造の複屈折は、材料や形状を変えることで複屈折特性を容易に制御することが可能である。また、偏光方向が溝に平行な光と垂直な光との位相差（遅延量）Ｒｅは、微細周期構造の複屈折の高さ（溝の深さ）をｄとすると、
Ｒｅ＝（ｎp−ｎv）ｄ                                （４）
となる。これらの式より、微細周期構造の複屈折のｄｕｔｙ比ｔおよび微細周期構造の複屈折の高さ（溝の深さ）ｄを可変にすれば位相差（遅延量）Ｒｅを変化させることができることが分かる。
【００１５】
例えば光学素子として、４００ｎｍのレーザ光用として、１／４λの位相差を与える１／４波長板を形成しようとしたときに、常温での屈折率が１．５程度の樹脂素材を用いて、ラインの幅を１００ｎｍ、スペースの幅を９０ｎｍとすると、微細構造の高さｄ＝１２００ｎｍとすることができる。
【００１６】
第３の本発明の位相差発生部材によれば、光束が通過する位置に応じて異なる位相差を発生させる位相差発生部材であって、光束が通過する面に構造性複屈折を有する微細形状を設けており、前記微細形状は光束が通過する位置に応じて異なる位相差を発生させるので、上述した位相差測定装置又は位相差測定方法に用いることで、より簡易に測定対象物の位相差を求めることができる。
【００１７】
更に、前記微細形状は、周期的な複数の壁を有し、前記壁の高さ（通過する光束に平行な距離）は、位置に応じて異なっていると、位置に応じて異なる位相差を発生できる。
【００１８】
更に、前記微細形状は、周期的な複数の壁を有し、前記壁の幅（ピッチ方向距離）は、位置に応じて異なっていると、微細形状のフィリングファクターが異なるため、位置に応じて異なる位相差を発生できる。フィリングファクターとは、（壁の幅）／（ピッチ）で表される値である。
【００１９】
更に、前記微細形状のアスペクト比は１以上であると好ましい。
【００２０】
「アスペクト比」とは、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、微細構造の凹部又は凸部の幅をＡ、深さ又は高さをＢとしたときに、Ｂ／Ａで表される値をいう。「微細形状」とは、Ａの値が１０μｍ以下の形状をいう。第１の部材及び第２の部材の厚みは、好ましくは０．１〜２０ｍｍである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、より簡便に測定対象物の位相差を測定できる位相差発生装置、位相差発生方法及びそれに用いる位相差発生部材を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。図２は、本実施の形態にかかる位相差測定装置の概略構成を示すブロック図である。図３は、位相差発生部材ＰＧの概略斜視図である。図２に示す位相差測定装置において、光源であるレーザＬＤから、受光素子ＰＤまでの間に、第１偏光子Ｐ１、測定対象物ＴＰ、位相差発生部材ＰＧ、第２偏光子Ｐ２をこの順序で配置している。尚、第１偏光子Ｐ１と第２偏光子Ｐ２とは、偏光方向が９０度異なっている。
【００２３】
受光素子ＰＤは、受光したレーザ光の光量を対応した信号に変換して出力し、かかる信号はアンプＡＭＰで増幅された後、パソコンＰＣに出力されるようになっている。又、パソコンＰＣは、位相差発生部材ＰＧを保持し、変位させる変位手段としての移動ステージＳＴに駆動信号を送信するとともに、位相差発生部材ＰＧの位置を検出できるようになっている。測定結果は、パソコンＰＣに接続されたモニタＭＮで確認できる。
【００２４】
図３において、位相差発生部材ＰＧは、レーザ光束Ｂが通過する面に微細形状を有している。より具体的には、レーザ光束Ｂの照射方向に平行に延在している複数の壁Ｗ１〜Ｗ９（壁は９以上あって良い）が配置された、いわゆるラインアンドスペース構造であって、壁のピッチは、少なくとも通過するレーザ光束Ｂの波長以下であり、位相差発生部材ＰＧの一端から他端に向かうにつれて、壁の高さは、漸次増大するように異なっている。このような構成を有するので、位相差発生部材ＰＧは、レーザ光束Ｂが通過する位置に応じて連続的に異なる位相差を発生できる。
【００２５】
本実施の形態の位相差測定装置について説明する。図１において、電源ＰＷから電力を供給されたレーザＬＤは、レーザ光を照射する。かかるレーザ光は、第１偏光子Ｐ１を通過し、続いて測定対象物ＴＰを通過して未知の位相差を与えられ、更に位相差発生部材ＰＧ及び第２偏光子Ｐ２を通過して、受光素子ＰＤに至る。ここで、測定対象物ＴＰと位相差発生部材ＰＧとで与えられる位相差が０°であるとしたら、第１偏光子Ｐ１でレーザ光束の一部が遮断され、且つ第２偏光子２とで残りのレーザ光束が遮断されるので、受光素子ＰＤで検出される受光量はゼロとなる。一方、測定対象物ＴＰと位相差発生部材ＰＧとで与えられる位相差が９０°であるとしたら、受光素子ＰＤで検出される受光量は最大となる。
【００２６】
これを言い換えると、移動ステージＳＴを用いて位相差発生部材ＰＧを移動させつつ、受光素子ＰＤで検出される受光量が最大となる最大光量位置を探索し、かかる最大光量位置が探索されたときに、その位置における位相差発生部材ＰＧの発生した位相差ΔＰ１と、測定対象物の発生した位相差ΔＰ２とを足したものがλ／４になったと判断できるので、未知の位相差ΔＰ２＝λ／４−ΔＰ１として求めることができる。尚、レーザ光束が通過する位置における位相差発生部材ＰＧの発生する位相差ΔＰ１は、予め実測或いはシミュレーションで求めておき、移動ステージＳＴの位置に対応させて、パソコンＰＣに記憶させておけばよい。
【００２７】
図４は、受光素子ＰＤからの光量の変化例を示す図である。図２に示す位相差測定装置において、λ／８の位相差を発生する測定対象物ＴＰを用いて、位相差発生部材ＰＧを、０〜λ／４の範囲で移動させたものとする。ここで、受光素子ＰＤの最大受光量を１としたときに、理論上、受光素子ＰＤの受光量は０〜１の範囲でサインカーブを描くこととなり、その最大受光量はλ／８の位相差を発生する位置で得られることとなる。即ち、測定対象物ＴＰの発生した位相差が未知であるとしても、求めた位相差発生部材ＰＧの発生した位相差から、簡単に求めることができることがわかる。
【００２８】
図５は、位相差発生部材ＰＧの設計例にかかる値を示す図であり、樹脂に光束を透過させた場合について、ＲＣＷＡ（Rigorous  Coupled  Wave  Analysis：厳密結合波理論）を用いてシミュレーションを行っている。波長４０５ｎｍのレーザ光束を照射する位相差発生部材ＰＧは、図３を参照して、屈折率１．５６の素材（例えば三井化学株式会社から上市されている製品名アペル）を用い、構造周期Ｐ＝３５０ｎｍ、フィリングファクターｆ＝Ｌ／Ｐ＝０．６６としたときに，図５（ａ）のグラフから、壁の高さ（構造高さともいう）Ｈが１．６又は１．９μｍであるときにλ／４の位相差を与え、Ｈが３．３又は３．７μｍであるときにλ／２の位相差を与えることができる。
【００２９】
一方、波長４０５ｎｍのレーザ光束を照射する位相差発生部材ＰＧは、図３を参照して、同様に屈折率１．５６の素材を用い、構造周期Ｐ＝３５０ｎｍ、フィリングファクターｆ＝Ｌ／Ｐ＝０．５としたときに，図５（ｂ）のグラフから、壁の高さＨが０．９μｍであるときにλ／４の位相差を与え、Ｈが２．２μｍであるときにλ／２の位相差を与えることができる。
【００３０】
図６は、位相差発生部材ＰＧの製造工程を示す概略図である。位相差発生部材ＰＧは、光学用の樹脂を成形することによって形成できる。図６において、ＳＵＳ３０４により形成され不図示のフレームに固定された下型１の上方に、ＳＵＳ３０４により形成された上型２が相対移動可能に配置されている。保持部である下型１は、位相差発生部材の素材Ｍを上面に保持固定することができる。
【００３１】
上型２の下面には、シリコン性の型円板２ａが固定されており、その下面には、例えば波長板に用いるため電子ビーム描画などによって微細形状２ｂが形成されている。本実施の形態では、位相差発生部材の素材Ｍの素材は、上述したアペル、ＰＭＭＡであると好ましい、それに限られずアクリルやポリカーボネート、紫外線硬化樹脂等も用いることができる。上型２と型円板２ａとで、型を構成する。尚、図示していないが、上型２を下型１に対して接近・離隔方向に相対移動させる駆動部が設けられている。
【００３２】
位相差発生部材ＰＧを製造する場合、まず、図６（ａ）に示すように、型開きした下型１の上面に、位相差発生部材の素材Ｍ（常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であると好ましい）を固定する。更に、ヒータ４を発熱させて、上型２を、位相差発生部材の素材Ｍのガラス転移点温度Ｔｇより高い温度に加熱する。
【００３３】
更に、型円板２ａの下面がガラス転移点温度Ｔｇ以上に加熱された段階で、図６（ｂ）に示すように、不図示の駆動部を駆動して上型２により位相差発生部材の素材Ｍを押圧する。すると、位相差発生部材の素材Ｍの上面は急速にガラス転移点温度以上に加熱され溶融されて、その表面に型円板２ａの微細形状２ｂを転写して微細形状ＭＳを形成する。
【００３４】
続いて、ヒータ４の発熱を停止し、上型２を自然冷却（強制冷却でも良い）させ、それにより位相差発生部材の素材Ｍの表面温度を上記転写温度を下回るように下げる。
【００３５】
その後、上型２を離して、位相差発生部材の素材Ｍを下型１から取り外すことで離型を行う。これにより位相差発生部材ＰＧ（図３参照）を得ることができる。
【００３６】
図７は、別な実施の形態にかかる位相差発生部材ＰＧ’の断面図であり、レーザ光束は上下に通過するように配置される。本実施の形態においては、少なくとも通過する光束の波長以下のピッチＰで配置された、光束の波長以上の高さの周期的な複数の壁Ｗ１、Ｗ２，Ｗ３、Ｗ４、・・・・を有し、各壁の幅Ｌ１、Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４、・・・・は、左から右に向かうにつれて漸次減少するように異なっている。このような微細形状であると、フィリングファクター（Ｌｘ／Ｐ、ｘ＝＝１，２，３，４，・・・）がそれぞれ異なるので、位置に応じて異なる位相差を連続的に発生させることができる。
【００３７】
図８は、位相差発生部材ＰＧ’の設計例にかかる値を示す図であり、樹脂に光束を透過させた場合について、ＲＣＷＡ（Rigorous  Coupled  Wave  Analysis：厳密結合波理論）を用いてシミュレーションを行っている。波長４０５ｎｍのレーザ光束を照射する位相差発生部材ＰＧ’は、図７を参照して、屈折率１．５６の素材を用い、構造周期Ｐ＝３５０ｎｍ、壁の高さＨ＝７００ｎｍとしたときに，図８（ａ）のグラフから、フィリングファクター（Ｌｘ／Ｐ）が０．３又は０．３１であるときにλ／４の位相差を与えることができる。
【００３８】
一方、波長４０５ｎｍのレーザ光束を照射する位相差発生部材ＰＧ’は、図７を参照して、屈折率１．５６の素材を用い、構造周期Ｐ＝３５０ｎｍ、壁の高さＨ＝１４００ｎｍとしたときに，図８（ｂ）のグラフから、フィリングファクター（Ｌｘ／Ｐ）が０．６であるときにλ／４の位相差を与えることができる。
【００３９】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】アスペクト比を説明するための図である。
【図２】本実施の形態にかかる位相差測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】位相差発生部材ＰＧの概略斜視図である。
【図４】受光素子ＰＤからの光量の変化例を示す図である。
【図５】位相差発生部材ＰＧの設計例にかかる値を示す図である。
【図６】位相差発生部材ＰＧの製造工程を示す概略図である。
【図７】別な実施の形態にかかる位相差発生部材ＰＧ’の断面図である。
【図８】位相差発生部材ＰＧ’の設計例にかかる値を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 下型
２ 上型
２ａ 型円板
２ｂ 微細形状
４ ヒータ
ＡＭＰ アンプ
Ｂ レーザ光束
ＬＤ レーザ
Ｍ 素材
ＭＮ モニタ
ＭＳ 微細形状
Ｐ１ 第１偏光子
Ｐ２ 第２偏光子
ＰＣ パソコン
ＰＤ 受光素子
ＰＧ 位相差発生部材
ＰＷ 電源
ＳＴ 移動ステージ
ＴＰ 測定対象物
【図１】
2006208341.tif 000003
【図２】
2006208341.tif 000004
【図３】
2006208341.tif 000005
【図４】
2006208341.tif 000006
【図５】
2006208341.tif 000007
【図６】
2006208341.tif 000008
【図７】
2006208341.tif 000009
【図８】
2006208341.tif 000010