(57)【要約】      （修正有）【課題】回転機構を無くして、試料をセットするだけで即座に位相差を測定可能な測定装置と測定方法を提供する。【解決手段】復屈折位相差測定装置は、単色光束を生成する光束生成手段１と、光束を特定の偏光状態にして、測定対象物３に照射する偏光照射手段２と、測定対象物３を透過又は反射した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で測定し各検光子出力を得る偏光状態測定手段４と、各検光子出力から測定対象物３の復屈折位相差を計算する演算手段６とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単色光束を生成する光束生成手段と；
上記光束を特定の偏光状態にして、測定対象物に照射する偏光照射手段と；
上記測定対象物を透過又は反射した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で選択的に測定し各検光子出力を得る偏光状態測定手段と；
上記各検光子出力から上記測定対象物の復屈折位相差を計算する演算手段とを備える；
復屈折位相差測定装置。
【請求項２】
上記偏光状態測定手段は、
上記透過又は反射した光束を、３以上の光束に分割する光束分割手段と；
分割された各光束を透過させる異なる検光子角度の各検光子と；
上記各検光子を透過した光量を検出し上記各検光子出力を得る光検出器とを有する；
請求項１に記載の復屈折位相差測定装置。
【請求項３】
上記偏光状態測定手段は、
回転により上記検光子角度を３種類以上に変更可能な回転検光子と；
上記回転検光子を透過した光量を検出し上記各検光子出力を得る光検出器とを有する；
請求項１に記載の復屈折位相差測定装置。
【請求項４】
上記３種類以上の検光子角度は、０度及び９０度を含む；
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の復屈折位相差測定装置。
【請求項５】
上記特定の偏光状態が、円偏光又は直線偏光である；
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の復屈折位相差測定装置。
【請求項６】
単色光束を生成する光束生成工程と；
上記光束を特定の偏光状態にして、測定対象物に照射する偏光照射工程と；
上記測定対象物を透過又は反射した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で選択的に測定し各検光子出力を得る偏光状態測定工程と；
上記各検光子出力から上記測定対象物の復屈折位相差を計算する演算工程とを備える；
復屈折位相差測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、復屈折位相差測定装置及び復屈折位相差測定方法に関する。詳しくは測定対象物を透過又は反射した光束の偏光状態における３以上の検光子出力から測定対象物の復屈折位相差を求める復屈折位相差測定装置及び復屈折位相差測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、復屈折位相差測定には、一般的には、セナルモン法、回転検光子法が用いられており、これらの方法によれば様々な試料の位相差を高精度で測定できる。（例えば非特許文献１参照）。
【０００３】
図９に従来の復屈折位相差測定装置としてエリプソメーターの例を示す。エリプソメーターにはコリメータアーム１０９とテレスコープアーム１１０があり、通常コリメータアームが固定され、テレスコープアームが両アームの光軸を含む平面内で、光軸の交点を中心に回転できる。二つのアームの角度は、例えば回転目盛板及び副尺を用いて０．０１゜まで読める。装置の中心軸（両アームの交点）に測定対象物（試料）１０５がくるように試料台が設けられている。コリメータアーム１０９側では、光源１０１からの出射光を単色光フィルター１０２に通すことにより単色光束を生成し、この単色光束を偏光子１０３に通して偏光状態にし、さらに１／４波長板（補償板）１０４を通した後に測定対象物１０５に照射する。テレスコープアーム１１０側では、測定対象物１０５で反射された光束を検光子１０６を用いて検光子角度を定め、光検出器１０７で検光子出力を検出し、アーム外に配置された光出力表示器１０８に表示する。復屈折位相差を測定するには、偏光子１０３の方位角、補償板１０４の方位角、検光子１０６の方位角、補償板１０４の位相差のうち２つを固定し、２つを変化させる。典型的には、補償板１０４の方位角と位相差を固定し、偏光子１０３及び検光子１０６を回転して出力が最小になる偏光子１０３と検光子１０６の方位角を求める。理想的には消光条件を満たす（出力が０になる）偏光子１０３と検光子１０６の方位角を求める。偏光子１０３と検光子１０６はそれぞれ光軸に垂直な面内で回転でき、例えば回転目盛板及び副尺を用いて０．００５゜まで読める。出力が最小になる偏光子１０３と検光子１０６の方位角より、試料面の偏光解析パラメータΔ，ψを求め、試料面の偏光解析パラメータΔ，ψより試料の復屈折位相差を求める。
【０００４】
セナルモン法は、消光条件を種々のサーボ機構により自動的に検出する方法である。サーボモータによって、偏光子及び検光子を回転して消光条件を満たす偏光子１０３と検光子１０６の方位角を求める。これらの方位角は偏光子及び検光子の角度の組み合わせにより４ゾーンに分けられ、これら４ゾーンの全てについて自動検出が可能である。
【０００５】
回転検光子法は、検光子のみをシンクロナスモータで回転させ、試料からの反射（又は透過）楕円偏光の偏光状態を検出する方法である。検出器に入射する光の強度を例えば１回転２５６個のデジタル信号に変換して，計算機で処理し、試料面の偏光解析パラメータΔ，ψを求めるものである。
【０００６】
【非特許文献１】光学的測定ハンドブック  田幸敏治、辻内順平、南茂夫編集  朝倉書店  １９８１年発行  （第２章  横田英嗣著  光学測定  ２．４．２〜２．４．４  ２６０頁〜２６４頁、図２．４．４〜図２．４．９等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、これらの従来装置は、偏光素子を回転させる駆動機構が伴い、測定にコンマ数秒〜数十秒の時間がかかる。また、測定の目的によっては高精度を要求されない場合もある。
【０００８】
本発明は、回転機構を無くして、試料をセットするだけで即座に位相差の絶対値を測定可能な測定装置と測定方法を提供することを目的とする。
又は、少数の角度点数で測定し、測定時間を短縮できる測定装置と測定方法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】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の復屈折位相差測定装置は、例えば図１に示すように、単色光束を生成する光束生成手段１と、光束を特定の偏光状態にして、測定対象物３に照射する偏光照射手段２と、測定対象物３を透過又は反射した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で測定し各検光子出力を得る偏光状態測定手段４と、各検光子出力から測定対象物３の復屈折位相差を計算する演算手段６とを備える。
このように構成すると、位相差の測定を簡易かつ短時間でできる復屈折位相差測定装置を提供できる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の復屈折位相差測定装置において、例えば図１に示すように、偏光状態測定手段４は、透過又は反射した光束を、３以上の光束に分割する光束分割手段４０と、分割された各光束を透過させる検光子角度が異なる各検光子５１Ａ〜５１Ｃと、各検光子５１Ａ〜５１Ｃを透過した光量を検出し各検光子出力を得る光検出器５２Ａ〜５２Ｃとを有する。
なお、光束分割手段４０と各検光子５１Ａ〜５１Ｃとは必ずしも別の物でなくても良く、両機能を有する１つの物で実現されても良い。このように構成すると、回転機構を無くして、試料をセットするだけで即座に位相差を測定可能にできる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の復屈折位相差測定装置において、例えば図５に示すように、偏光状態測定手段４は、回転により検光子角度を３種類以上変更可能な回転検光子４３と、回転検光子４３を透過した光量を検出し各検光子出力を得る光検出器５２Ｄとを有する。
このように構成すると、少数の角度点数で位相差を測定可能にでき、測定時間を短縮できる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の復屈折位相差測定装置において、３種類以上の検光子角度は、０度及び９０度を含む。
なお、角度は装置の製造ばらつきや光学機器調整のばらつきを含め、その近傍の値を含むものである。このように構成すると、検光子出力から位相差を演算する工程が簡易になり、演算手段の負荷が小さく、処理時間が短縮される。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の復屈折位相差測定装置は、特定の偏光状態が、円偏光又は直線偏光である。
なお、円偏光又は直線偏光は装置の製造ばらつきや光学機器調整のばらつきを含め、その近傍の状態を含むものである。このように構成すると、演算のモデルをシンプルにでき、位相差の演算が容易になる。
【００１４】
また、請求項６に記載の復屈折位相差測定方法は、例えば図８に示すように、単色光束を生成する光束生成工程（Ｓ００１）と、光束を特定の偏光状態にして、測定対象物３に照射する偏光照射工程（Ｓ００２）と、測定対象物３を透過又は反射した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で選択的に測定し各検光子出力を得る偏光状態測定工程（Ｓ００３）と、各検光子出力から測定対象物３の復屈折位相差を計算する演算工程（Ｓ００４）とを備える。
このように構成すると、位相差の測定を簡易かつ短時間でできる復屈折位相差測定方法を提供できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、回転機構を無くして、試料をセットするだけで即座に位相差の絶対値を測定可能な測定装置と測定方法を提供できる。又は、少数の角度点数で測定し、測定時間を短縮できる測定装置と測定方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１に、第１の実施の形態における復屈折位相差測定装置の構成例を示す。本実施の形態では、偏光状態測定手段４は透過光束を３以上の光束に分割する光束分割手段４０を有する例を示す。
【００１７】
１は単色光束を生成する光束生成手段であり、単色光を射出する光源としてのＨｅ−Ｎｅレーザ１１Ａから構成される。２は光束生成手段１で生成された単色光束を特定の偏光状態にして、測定対象物（試料）３に照射する偏光照射手段である。偏光照射手段２は偏光子２１と１／４波長板２２から構成される。偏光子２１は、光束を偏光させ、また偏光状態の調整が可能である。１／４波長板２２は光束の偏光状態（位相）を９０度（π／２）変更する。本実施の形態では、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１で生成された単色光束は、偏光子２１で直線偏光光束に変換され、１／４波長板２２で円偏光光束に変換されて、測定対象物３に照射される。測定対象物３に照射される特定の偏光状態は円偏光である。
【００１８】
測定対象物３を透過した光束は偏光状態測定手段４に入射される。偏光状態測定手段４は測定対象物３を透過した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で選択的に測定し各検光子出力を得るものであり、本実施の形態では、透過した光束を、３以上の光束に分割する光束分割手段４０（分割された各光束を透過させる検出角度が異なる各検光子５１Ａ〜５１Ｃを含む）と、各検光子５１Ａ〜５１Ｃを透過した光量を検出し各検光子出力を得る光検出器５２Ａ〜５２Ｃとを有する。
【００１９】
光束分割手段４０は、第１の無偏光ビームスプリッタ４１Ａと、第１、第２の偏光ビームスプリッタ４２Ａ、４２Ｂから構成される。第１の無偏光ビームスプリッタ４１Ａは測定対象物３を透過した光束を２分割し、分割された一方の光束を第１の偏光ビームスプリッタ４２Ａに、他方の光束を第２の偏光ビームスプリッタ４２Ｂに出射する。第１の偏光ビームスプリッタ４２Ａは無偏光ビームスプリッタ４１Ａから入射した光束を、その偏光状態（Ｐ偏光とＳ偏光）により２分割し、分割された一方の光束を第１の光検出器５２Ａに、他方を第２の光検出器５２Ｂに出射する。第２の偏光ビームスプリッタ４２Ｂは第１の無偏光ビームスプリッタ４１Ａで分割された他方の光束を、（全てＰ偏光かＳ偏光かにして）分割することなく第３の光検出器５２Ｃに出射する。
【００２０】
本実施の形態では第１の偏光ビームスプリッタ４２Ａが、第１の検光子５１Ａと第２の検光子５１Ｂの機能を有し、第２の偏光ビームスプリッタ４２Ｂが、第３の検光子５１Ｃの機能を有する。したがって、各検光子５１Ａ〜５１Ｃは光束分割手段４０に含まれる。光束分割手段４０を通過する光束の偏光状態については、それぞれ異なる所定の検光子角度における検光子出力を得るように設定される。例えば、第１の検光子角度を０度、第２の検光子角度を９０度、第３の検光子角度をその他の検光子角度になるように設定される。第１の無偏光ビームスプリッタ４１Ａでは透過光の偏光状態は不変である。第１の偏光ビームスプリッタ４２Ａでは、Ｐ偏光とＳ偏光とに分離されるが、分割された一方の光束については検光子角度が第１の検光子角度０度になるように設定され、検光子角度０度の部分が第１の光検出器５２Ａに出射され、他方の光束については検光子角度が第２の検光子角度９０度になるように設定され、検光子角度９０度の部分が第２の光検出器５２Ｂに出射される。第２の偏光ビームスプリッタ４２Ｂでは、Ｐ偏光かＳ偏光の一方が第３の光検出器５２Ｃに出射されるが、第３の検光子角度になるように設定される。検光子角度をこのように選択すると、後述するように演算が容易になり、好適である。また、第３の（その他の）検光子角度として、４５度、１３５度を選択すると演算が容易になり、好適である。
【００２１】
第１〜第３の光検出器５２Ａ〜５２Ｃは、検光子５１Ａ〜５１Ｃとしての第２又は第３の偏光ビームスプリッタ４２Ａ、４２Ｂを透過した光量を検出し、各検光子出力を得る。第１〜第３の光検出器５２Ａ〜５２Ｃで得られた検光子出力は、それぞれ第１〜第３の光増幅器５３Ａ〜５３Ｃで増幅され、演算手段６としてのパーソナルコンピュータに送信される。演算手段６は第１〜第３の光増幅器５３Ａ〜５３Ｃの出力をアナログ入力部６２で取得し、内蔵のソフトウエア（演算プログラム）６１を用いて、各検光子出力から測定対象物（試料）３の復屈折位相差を計算する。これにより、後述するように（（式１１）〜（式１３）参照）、試料３のロール角に影響を受けずに位相差を算出できる。
【００２２】
次に、復屈折位相差（以下、簡単のため単に位相差という）の算出の仕方について説明する。
光の偏光状態を表現する場合、３次元ｘｙｚ座標系において、ｚ方向に進む楕円偏光の電気ベクトル（磁気ベクトルでも良い）のｘ成分をＥｘ、ｙ成分をＥｙとし、検光子角度０度の検光子出力に対応するパラメータをａｘ、検光子角度９０度の検光子出力に対応するパラメータをａｙ、位相差をδとすると、（式１）が成立する。
（Ｅｘ／ａｘ）２＋（Ｅｙ／ａｙ）２−（２ＥｘＥｙ／ａｘａｘ）ｃｏｓδ＝ｓｉｎ２δ・・（式１）
【００２３】
検出角度１３５°（＝９０°＋４５°）の検光子出力に対応するパラメータをａ１３５とすると、楕円（式１）への接線は（式２）で表される。
ｙ＝ｘ＋ｋ・・（式２）
ここに、ｋ＝（√２）ａ１３５である。
【００２４】
図２に、偏光状態の位相差δによる変化の様子を例示する。ここでは、高速軸方向を０°、低速軸方向を９０°、方位角を４５°とし、位相差がδ＝９０°、９０±３°、９０±３０°、９０±９０°の４種類の水晶板を測定したケースの楕円偏光の状態を示す。水晶板を回転すると、楕円の方位角も回転する。図２より、δ＝９０°の場合は、傾斜４５°の直線偏光であり、δが９０°から離れるにつれて楕円の丸みが増加し、δ＝９０±９０°の場合は円偏光となる様子がわかる。
【００２５】
検光子出力は楕円上の座標（Ｅｘ、Ｅｙ）に接する接線の原点からの距離で表現される。例えば、位相差３０°の場合、第１の検光子５１Ａの検光子角度０°、第２の検光子５１Ｂの検光子角度９０°、第３の検光子５１Ｃの検光子角度１３５°における検光子出力は、それぞれ、１．０、１．０、約０．５／√２となる。
【００２６】
簡単のため、
ａ＝１／ａｘ、ｂ＝１／ａｙ、α＝ｃｏｓδ・・（式３）
ｘ＝Ｅｘ，ｙ＝Ｅｙ・・（式４）
と置き換えると、（式１）は（式５）のように変換される。
ａ２ｘ２＋ｂ２ｙ２−２ａｂαｘｙ＝１−α２・・（式５）
（式５）に（式２）を代入すると、（式６）となる。
ａ２ｘ２＋ｂ２（ｘ＋ｋ）２−２ａｂαｘ（ｘ＋ｋ）＋α２−１＝０・・（式６）
（式６）を整理すると、二次方程式（式７）が得られる。
（ａ２＋ｂ２−２ａｂα）ｘ２＋２（ｂ２ｋ−ａｂαｋ）ｘ＋ｂ２ｋ２＋α２−１＝０・・（式７）
【００２７】
楕円（式１）と直線（式２）は接しているので、（式７）は重根を持つ。
よって、二次方程式  Ａｘ２＋Ｂｘ＋Ｃ＝０  の判別式  Ｄ＝Ｂ２−４ＡＣ＝０  より、（式８）が成立する。
Ｄ＝４ｋ２（ｂ２−ａｂα）２−４（ａ２＋ｂ２−２ａｂα）（ｂ２ｋ２＋α２−１）＝０・・（式８）
これをαについて整理すると、（式９）のようになる。
２ａｂα３＋（ａ２ｂ２ｋ２−ａ２−ｂ２）α２−２ａｂα＋ａ２＋ｂ２−ａ２ｂ２ｋ２＝０・・（式９）
ここに、ａ，ｂ，ｋは定数であり、測定可能なので、（式９）よりαを、すなわち、位相差δを計算することが可能である。
【００２８】
一般に、ｅｘ３＋ｆｘ２＋ｇｘ＋ｈ＝０  を  ｘ＝β―ｆ／３ｅ  に置換えて整理すると、（式１０）のうようになる。
β３＋（ｇ／ｅ−ｆ２／３ｅ２）β＋（２ｆ３／２７ｅ３−ｆｇ／３ｅ２＋ｈ／ｅ）＝０・・（式１０）
一般に、β３＋ｐβ＋ｑ＝０  の実数解は、（式１１）のようになる。
【数１】
2006071458.tif 000003
ｐ、ｑをａ，ｂ，ｋで表すと、（式１２）、（式１３）のようになる。
ｐ＝−（１＋（ａ２ｂ２ｋ２−ａ２−ｂ２）２／１２ａ２ｂ２）・・（式１２）
ｑ＝（ａ２ｂ２ｋ２−ａ２−ｂ２）３／１０８ａ３ｂ３−（ａ２ｂ２ｋ２−ａ２−ｂ２）／６ａｂ＋（ａ２＋ｂ２−ａ２ｂ２ｋ２）／２ａｂ・・（式１３）
これによりβを、すなわち、αを求めることができる。また、α＝ｃｏｓδ  から位相差δを求めることができる。ただし、ｃｏｓ関数の特性により、δの符号はわからず、絶対値のみがわかる。  
│δ│＝０〜１８０度である。
【００２９】
図３に、方位角４５°＋３０°＝７５°、位相差±３０°の場合の偏光状態を例示する。図２の状態から方位角が３０°左廻りに回転した状態、すなわち、水晶板を３０°左廻りに回転させた状態（高速軸、低速軸がそれぞれｘ軸、ｙ軸から３０°回転した状態）である。位相角は３０°であるから、偏光状態は、図２の位相角３０°の楕円偏光を３０°左廻りに回転させた状態となっている。
【００３０】
第１の検光子５１Ａの検出角度０°、第２の検光子５１Ｂの検出角度９０°、第３の検光子５１Ｃの検出角度１３５°における検光子出力を求める場合、楕円に接する接線の方程式は、それぞれ、ｘ＝ａ０、ｙ＝ａ９０、ｙ＝ｘ＋（√２）ａ１３５  （それぞれ図中に破線で示す）である。
このように、方位角が変化した場合も、位相差により検光子出力が対応して定まるので、逆に３つの検光子出力を測定することにより、位相差を求めることができる。
【００３１】
このように本実施の形態によれば、単色光束を測定対象物に照射し、測定対象物を透過又は反射した光束を、検光子角度の異なる３つの検光子出力を選択的に測定することにより、位相差の絶対値を求めることができる。これによれば、回転機構を無くして、試料をセットするだけで即座に位相差を測定可能である。
【００３２】
本実施の形態の場合に、偏光状態測定手段に無偏光光を入射しても、第１〜第３の光検出器５１Ａ〜５１Ｃの間で入射光量にアンバランスが生じ得るが、無偏光ビームスプリッタ４１Ａ及び偏光ビームスプリッタ４１Ｂ，４１Ｃの透過率、反射率がわかっているので、補正が可能である。
また、光束生成手段１の光源として、レーザに代えてレーザダイオードＬＤを使用することも可能である。
【００３３】
図４に、第２の実施の形態における復屈折位相差測定装置の構成例を示す。本実施の形態も、偏光状態測定手段４は透過光束を３以上の光束に分割する光束分割手段４０を有する例であるが、光源としてレーザに代えて発光ダイオードＬＥＤを使用すること、検光子として、偏光ビームスプリッタに代えてグラントムソンプリズムを使用すること等が異なる。なお、図１と同じ部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３４】
最近は高出力のＬＥＤを入手できるので、光束生成手段１の光源として利用できる。ただし、ＬＥＤ１１Ｂの出射光は単色光ではないので、狭帯域フィルター１２を用いて所定の波長の光束に絞る。狭帯域フィルター１２は例えば半値幅５ｎｍのフィルターを用いる。また、第１のレンズ系１３Ａ及び第２のレンズ系１３Ｂは、測定対象物３に平行光束を照射するため、また、測定対象物に集光させたり、適当な光束径にするために使用される。ここにおいて、光束生成手段１はＬＥＤ１１Ｂ、狭帯域フィルター１２及び第１のレンズ系１３Ａから構成される。また、ＬＥＤ１１Ｂの出射光は無偏光なので、偏光子２１で偏光を作成する（典型的には直線偏光にする）。偏光照射手段２は第１の実施の形態と同様である。
【００３５】
測定対象物３を透過した光束は、第２のレンズ系１３Ｂを通った後に、偏光状態測定手段４に入射される。本実施の形態では、透過した光束を３以上の光束に分割する光束分割手段、及び分割された各光束を透過させる異なる検光子角度の各検光子が、第１の実施の形態とは異なる。光束分割手段４０は、第２、第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂ、４１Ｃから構成され、第１〜第３の検光子５１Ａ〜５１Ｃは、それぞれ第１〜第３のグラントムソンプリズム５４Ａ〜５４Ｃから構成される。グラントムソンプリズムは消光比が大きく、高精度の測定が可能である。消光比は例えば１０６：１以上が可能である。
【００３６】
第２の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂは測定対象物３を透過した光束を２分割し、分割された一方の光束を第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃに、他方を第３のグラントムソンプリズム５４Ｃに出射する。第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃは第２の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂで分割された一方の光束を２分割し、分割された一方の光束を第１のグラントムソンプリズム５４Ａに、他方を第２のグラントムソンプリズム５４Ｂに出射する。第１のグラントムソンプリズム５４Ａは第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃで分割された一方の光束を、第１の光検出器５２Ａに出射し、第２のグラントムソンプリズム５４Ｂは第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃで分割された他方の光束を、第２の光検出器５２Ｂに出射し、第３のグラントムソンプリズム５４Ｃは第２の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂで分割された他方の光束を、第３の光検出器５２Ｃに出射する。
【００３７】
ここにおいて、光束分割手段４０は、第２の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂ及び第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃから構成される。第２、第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂ、４１Ｃでは透過光の偏光状態は不変である。光束分割手段４０を通過した光束は、第１〜第３のグラントムソンプリズム５４Ａ〜５４Ｃに入射され、第１〜第３のグラントムソンプリズム５４Ａ〜５４Ｃが第１〜第３の検光子５１Ａ〜５１Ｃの機能を有する。第１〜第３のグラントムソンプリズム５４Ａ〜５４Ｃは、それぞれ異なる所定の検光子角度における検光子出力を得るように設定される。例えば、第１の検光子角度を０度、第２の検光子角度を９０度、第３の検光子角度をその他の検光子角度になるように設定される。第１のグラントムソンプリズム５４Ａでは、検光子角度が第１の検光子角度０度になるように設定され、第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃで分割された一方の光束の検光子角度０度の部分が第１の光検出器５２Ａに出射される。第２のグラントムソンプリズム５４Ｂでは、検光子角度が第２の検光子角度９０度になるように設定され、第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃで分割された他方の光束の検光子角度９０度の部分が第２の光検出器５２Ｂに出射される。第３のグラントムソンプリズム５４Ｃでは、検光子角度が第３の検光子角度になるように設定され、第２の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂで分割された他方の光束の第３の検光子角度（その他の検光子角度）の部分が第３の光検出器５２Ｃに出射される。第３の（その他の）検光子角度として、４５度、１３５度を選択すると好適である。
【００３８】
各光検出器５２Ａ〜５２Ｃから後段は、第１の実施の形態と同じである。
また、偏光子、検光子として、方解石を利用したグラントムソンプリズムの他に、方解石を利用したグランテーラープリズム、他の薄型の偏光素子も利用可能である。
【００３９】
図５に、第３の実施の形態における復屈折位相差測定装置の構成例を示す。本実施の形態は、偏光状態測定手段４は透過光束を３以上の光束に分割する光束分割手段を有する代わりに、検光子を回転させて選択的に３つの検光子角度を選んで測定する例を示す。従来の回転光子法では、連続的に０〜３６０度を取得していたが、本実施の形態では３点のみを測定すれば良く、大いに簡素化が図られる。また、光源に白色光源を使用し、波長をスキャンさせている。なお、図１，図２と同じ部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００４０】
１１Ｃはハロゲンランプやキセノンランプ等の白色光源である。白色光源１１Ｃからの出射光を分光器（モノクロメータ）１４を通すことによって、所望の波長を有する単色光とし、位相差の測定に用いる。ここにおいて、光束生成手段１は白色光源１１Ｃ及び分光器１４から構成される。また、測定対象物３の入射側に集光のため第３のレンズ系１３Ｃが用いられる。偏光照射手段２は第１および第２の実施の形態と同様である。
【００４１】
分光器１４の出力波長を変化させながら測定することにより、位相差の波長依存性を把握できる。最近の分光器は、分光用の反射型回転格子の角度をコンピュータ制御して、出射光の波長をコントロール可能であり、位相差の波長依存性を効率的に測定できる。
【００４２】
図５において、４３は検光子が回転可能に搭載され、３種類以上の検光子角度で選択的に測定し各検光子出力を得ることができる回転偏光ビームスプリッタ機構である。回転偏光ビームスプリッタ機構４３として例えば回転検光子を使用できる。例えば３種類の検光子角度で選択的に検光子出力を測定することにより、第１及び第２の実施の形態と同様に、簡易な測定で、測定対象物３の位相差の絶対値を求めることができる。
【００４３】
４４は回転偏光ビームスプリッタ機構４３内の検光子の検光子角度（回転角度）を出力し、演算手段６としてのパーソナルコンピュータに送信する角度エンコーダである。光検出器−光増幅器は１系統で良く、第４の光検出器５２Ｄ、第４の光増幅器５３Ｄとして、第１〜第３の光検出器５２Ａ〜５２Ｃ、第１〜第３の光増幅器５３Ａ〜５３Ｃと同様のものを使用できる。パーソナルコンピュータ６の機能は第１及び第２の実施の形態とほぼ同様であるが、３個の光増幅器からそれぞれの検光子角度での検光子出力を取得する代わりに、１個の光増幅器５３Ｄから３種類の検光子角度で選択的に測定された検光子出力を取得する。また、分光器１４と接続されて出射光の波長を取得すると共に、角度エンコーダ４４に接続されて検光子角度を取得し、位相差を演算するだけでなく、位相差の波長依存性を演算でき、また、位相差の、回転偏光ビームスプリッタ機構４３の検光子の回転角度による影響を把握できる。
【００４４】
図６に、第４の実施の形態における復屈折位相差測定装置の構成例を示す。本実施の形態では、第１の実施の形態を基にしてＳＮＲ（信号−ノイズ比）を改良するものである。光束生成手段１の光源としてのレーザ（例えば半導体レーザ）１１Ｄに駆動回路１５を接続して、例えば１００ｋＨｚで変調をかけ、他方、第１〜第３の光増幅器５３Ａ〜５３Ｃに１００ｋＨｚ付近の信号のみを通過するバンドパスフィルタを挿入し、光束を変調させてレーザ１１Ｄを駆動するものである。測定する帯域を絞ることにより、外乱光（ＤＣ又は低周波信号）のカットや回路系のホワイトノイズカット（全帯域）が可能となり、これによりＳＮＲ（信号−ノイズ比）を大きく取ることができる。また、光源としてレーザダイオードを用い、変調させることも可能である。
【００４５】
図７に、第５の実施の形態における復屈折位相差測定装置の構成例を示す。本実施の形態は、第４の実施の形態の駆動回路１５と第１〜第３の光増幅器５３Ａ〜５３Ｃに同期信号源７を接続し、同期信号を用いて、波長の変調と検光子出力の検波を同期させるものである。これによりＳＮＲをさらに大きく取ることができる。また、光源としてレーザダイオードを用いて変調発光させ、それに同期検波させることも可能である。
【００４６】
図８に本発明の第１〜第５の実施の工程における復屈折位相差測定方法の処理フローをまとめて示す。まず、光束生成工程（ステップＳ００１）で、単色光束を生成する。単色光束の生成は、第１の実施の形態のようにレーザ１１Ａのような単色光源を使用しても良く、第２、第３の実施の形態のように、ＬＥＤ光源１１Ｂや白色光源１１Ｃからの射出光を狭帯域フィルター１２や分光器１４を通して単色光束を生成しても良い。次に、偏光照射工程（ステップＳ００２）で、光束を特定の偏光状態にして、測定対象物３に照射する。光束を特定の偏光状態にするには偏光子２１及び１／４波長板２２が用いられる。上記実施の形態では特定の偏光状態が直線偏光である例を示したが、円偏光でも良く、楕円偏光でも良い。次に、偏光状態測定工程（ステップＳ００３）で、測定対象物３を透過又は反射した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で選択的に測定し各検光子出力を得る。３種類以上の検光子角度を得るために、第１、第２の実施の形態のように、透過した光束を３以上の光束に分割する光束分割手段４０を使用し、分割された３以上の光束を異なる検光子角度の検光子５１Ａ〜５１Ｃを介して、光検出器５２Ａ〜５２Ｃで各検光子出力を検出し、光増幅器５３Ａ〜５３Ｃを介して演算手段６に送信しても良く、第３の実施の形態のように、検光子角度を３種類以上に変更可能な回転検光子４３を通して３種類以上の検光子角度で、光検出器５２Ｄで各検光子出力を検出し、光増幅器５３Ｄを介して演算手段６に送信しても良い。また、光束分割手段４０には、無偏光ビームスプリッタや偏光ビームスプリッタを用いても良く、検光子５１Ａ〜５１Ｃには、偏光ビームスプリッタを用いても良く、グラントムソンプリズムを用いても良い。次に、演算工程（ステップＳ００４）で、演算手段６により、各検光子出力から測定対象物３の復屈折位相差を計算する。演算では、例えば、各検光子角度に対応する出力パラメータａ，ｂ．ｋから復屈折位相差δを計算する。
【００４７】
以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更を加えられることは明白である。
【００４８】
例えば、以上の実施の形態では測定対象物に円偏光を入射させる例を説明したが、直線偏光を入射させても良い。この場合、例えば、測定対象物が１／４波長板であれば、直線偏光を入射すると、出射光は円偏光になる。位相差が９０度であれば理想的な円偏光になるが、位相差が９０度からずれると楕円偏光になる。したがって、以上の実施の形態と同様の方法で楕円偏光の式を求めることができる。
【００４９】
また、以上の実施の形態では検光子角度が、０°、９０°、１３５°の場合を説明したが、他の角度を選んでも、同様の演算が可能である。この場合は三元三次方程式を解くことになり、演算が複雑になるが可能である。
また、以上の実施の形態では３種類の検光子角度を用いる例を説明したが、４種類以上用いても良い。この場合には、演算に使用できるデータが複数組存在するので、演算される位相差の信頼度が向上する。
【００５０】
また、測定範囲を拡大縮小したり、適当な光束を得るために偏光状態に実質影響を与えないレンズなどを挿入しても良い。また、各光学素子を直列配列する代わりに、光ファイバを用いて光学素子間を連結しても良い。また、以上の実施の形態ではビームスプリッタや回転検光子を用いて光束を分割する例を説明したが、光束内に３個の検光子を並列に並べたり、光束内に反射角度の異なるミラーを並べて光束を３方向に分割したり、光束内に３本の光ファイバを挿入し、それぞれ３個の検光子に光を導いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
光学部品などの復屈折位相差測定に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１の実施の形態における復屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。
【図２】位相差による偏光状態の変化の様子を例示する図である。
【図３】位相差±３０°、方位角４５°＋３０°の偏光状態を例示する図である。
【図４】第２の実施の形態における復屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。
【図５】第３の実施の形態における復屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。
【図６】第４の実施の形態における復屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。
【図７】第５の実施の形態における復屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における復屈折位相差測定方法の処理フローを示す図である。
【図９】従来の復屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１    光束生成手段
２    偏光照射手段
３    測定対象物（試料）
４    偏光状態測定手段
６    演算手段
７    同期信号源
１１Ａ  Ｈｅ−Ｎｅレーザ
１１Ｂ  発光ダイオード（ＬＥＤ）
１１Ｃ  白色光源
１２  狭帯域フィルター
１３Ａ〜１３Ｃ  第１〜第３ののレンズ系
１４  分光器
１５  駆動回路
２１  偏光子
２２  １／４波長板
４０  光束分割手段
４１Ａ〜４１Ｃ  第１〜第３の無偏光ビームスプリッタ
４２Ａ、４２Ｂ  第１、第２の偏光ビームスプリッタ
４３  回転偏光ビームスプリッタ機構（回転検光子）
４４  角度エンコーダ
５１Ａ〜５１Ｃ  第１〜第３の検光子
５２Ａ〜５２Ｃ  第１〜第３の光検出器
５３Ａ〜５３Ｃ  第１〜第３の光増幅器
５４Ａ〜５４Ｃ  第１〜第３のグラントムソンプリズム
１０１  光源
１０２  単色光フィルター
１０３  偏光子
１０４  １／４波長板
１０５  測定対象物
１０６  検光子
１０７  光検出器
１０８  光出力表示器
１０９  コリメータアーム
１１０  テレスコープアーム
δ      位相差
【図１】
2006071458.tif 000004
【図２】
2006071458.tif 000005
【図３】
2006071458.tif 000006
【図４】
2006071458.tif 000007
【図５】
2006071458.tif 000008
【図６】
2006071458.tif 000009
【図７】
2006071458.tif 000010
【図８】
2006071458.tif 000011
【図９】
2006071458.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成16年10月29日(2004.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単色光束を生成する光束生成手段と；
上記光束を特定の偏光状態にして、測定対象物に照射する偏光照射手段と；
上記測定対象物を透過又は反射した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で選択的に測定し各検光子出力を得る偏光状態測定手段と；
上記各検光子出力から上記測定対象物の複屈折位相差を計算する演算手段とを備える；
複屈折位相差測定装置。
【請求項２】
上記偏光状態測定手段は、
上記透過又は反射した光束を、３以上の光束に分割する光束分割手段と；
分割された各光束を透過させる異なる検光子角度の各検光子と；
上記各検光子を透過した光量を検出し上記各検光子出力を得る光検出器とを有する；
請求項１に記載の複屈折位相差測定装置。
【請求項３】
上記偏光状態測定手段は、
回転により上記検光子角度を３種類以上に変更可能な回転検光子と；
上記回転検光子を透過した光量を検出し上記各検光子出力を得る光検出器とを有する；
請求項１に記載の複屈折位相差測定装置。
【請求項４】
上記３種類以上の検光子角度は、０度及び９０度を含む；
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の複屈折位相差測定装置。
【請求項５】
上記特定の偏光状態が、円偏光又は直線偏光である；
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の複屈折位相差測定装置。
【請求項６】
単色光束を生成する光束生成工程と；
上記光束を特定の偏光状態にして、測定対象物に照射する偏光照射工程と；
上記測定対象物を透過又は反射した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で選択的に測定し各検光子出力を得る偏光状態測定工程と；
上記各検光子出力から上記測定対象物の複屈折位相差を計算する演算工程とを備える；
複屈折位相差測定方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複屈折位相差測定装置及び複屈折位相差測定方法に関する。詳しくは測定対象物を透過又は反射した光束の偏光状態における３以上の検光子出力から測定対象物の複屈折位相差を求める複屈折位相差測定装置及び複屈折位相差測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複屈折位相差測定には、一般的には、セナルモン法、回転検光子法が用いられており、これらの方法によれば様々な試料の位相差を高精度で測定できる。（例えば非特許文献１参照）。
【０００３】
図９に従来の複屈折位相差測定装置としてエリプソメーターの例を示す。エリプソメーターにはコリメータアーム１０９とテレスコープアーム１１０があり、通常コリメータアームが固定され、テレスコープアームが両アームの光軸を含む平面内で、光軸の交点を中心に回転できる。二つのアームの角度は、例えば回転目盛板及び副尺を用いて０．０１゜まで読める。装置の中心軸（両アームの交点）に測定対象物（試料）１０５がくるように試料台が設けられている。コリメータアーム１０９側では、光源１０１からの出射光を単色光フィルター１０２に通すことにより単色光束を生成し、この単色光束を偏光子１０３に通して偏光状態にし、さらに１／４波長板（補償板）１０４を通した後に測定対象物１０５に照射する。テレスコープアーム１１０側では、測定対象物１０５で反射された光束を検光子１０６を用いて検光子角度を定め、光検出器１０７で検光子出力を検出し、アーム外に配置された光出力表示器１０８に表示する。複屈折位相差を測定するには、偏光子１０３の方位角、補償板１０４の方位角、検光子１０６の方位角、補償板１０４の位相差のうち２つを固定し、２つを変化させる。典型的には、補償板１０４の方位角と位相差を固定し、偏光子１０３及び検光子１０６を回転して出力が最小になる偏光子１０３と検光子１０６の方位角を求める。理想的には消光条件を満たす（出力が０になる）偏光子１０３と検光子１０６の方位角を求める。偏光子１０３と検光子１０６はそれぞれ光軸に垂直な面内で回転でき、例えば回転目盛板及び副尺を用いて０．００５゜まで読める。出力が最小になる偏光子１０３と検光子１０６の方位角より、試料面の偏光解析パラメータΔ，ψを求め、試料面の偏光解析パラメータΔ，ψより試料の複屈折位相差を求める。
【０００４】
セナルモン法は、消光条件を種々のサーボ機構により自動的に検出する方法である。サーボモータによって、偏光子及び検光子を回転して消光条件を満たす偏光子１０３と検光子１０６の方位角を求める。これらの方位角は偏光子及び検光子の角度の組み合わせにより４ゾーンに分けられ、これら４ゾーンの全てについて自動検出が可能である。
【０００５】
回転検光子法は、検光子のみをシンクロナスモータで回転させ、試料からの反射（又は透過）楕円偏光の偏光状態を検出する方法である。検出器に入射する光の強度を例えば１回転２５６個のデジタル信号に変換して，計算機で処理し、試料面の偏光解析パラメータΔ，ψを求めるものである。
【０００６】
【非特許文献１】光学的測定ハンドブック  田幸敏治、辻内順平、南茂夫編集  朝倉書店  １９８１年発行  （第２章  横田英嗣著  光学測定  ２．４．２〜２．４．４  ２６０頁〜２６４頁、図２．４．４〜図２．４．９等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、これらの従来装置は、偏光素子を回転させる駆動機構が伴い、測定にコンマ数秒〜数十秒の時間がかかる。また、測定の目的によっては高精度を要求されない場合もある。
【０００８】
本発明は、回転機構を無くして、試料をセットするだけで即座に位相差の絶対値を測定可能な測定装置と測定方法を提供することを目的とする。
又は、少数の角度点数で測定し、測定時間を短縮できる測定装置と測定方法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】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の複屈折位相差測定装置は、例えば図１に示すように、単色光束を生成する光束生成手段１と、光束を特定の偏光状態にして、測定対象物３に照射する偏光照射手段２と、測定対象物３を透過又は反射した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で測定し各検光子出力を得る偏光状態測定手段４と、各検光子出力から測定対象物３の複屈折位相差を計算する演算手段６とを備える。
このように構成すると、位相差の測定を簡易かつ短時間でできる複屈折位相差測定装置を提供できる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の複屈折位相差測定装置において、例えば図１に示すように、偏光状態測定手段４は、透過又は反射した光束を、３以上の光束に分割する光束分割手段４０と、分割された各光束を透過させる検光子角度が異なる各検光子５１Ａ〜５１Ｃと、各検光子５１Ａ〜５１Ｃを透過した光量を検出し各検光子出力を得る光検出器５２Ａ〜５２Ｃとを有する。
なお、光束分割手段４０と各検光子５１Ａ〜５１Ｃとは必ずしも別の物でなくても良く、両機能を有する１つの物で実現されても良い。このように構成すると、回転機構を無くして、試料をセットするだけで即座に位相差を測定可能にできる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の複屈折位相差測定装置において、例えば図５に示すように、偏光状態測定手段４は、回転により検光子角度を３種類以上変更可能な回転検光子４３と、回転検光子４３を透過した光量を検出し各検光子出力を得る光検出器５２Ｄとを有する。
このように構成すると、少数の角度点数で位相差を測定可能にでき、測定時間を短縮できる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の複屈折位相差測定装置において、３種類以上の検光子角度は、０度及び９０度を含む。
なお、角度は装置の製造ばらつきや光学機器調整のばらつきを含め、その近傍の値を含むものである。このように構成すると、検光子出力から位相差を演算する工程が簡易になり、演算手段の負荷が小さく、処理時間が短縮される。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の複屈折位相差測定装置は、特定の偏光状態が、円偏光又は直線偏光である。
なお、円偏光又は直線偏光は装置の製造ばらつきや光学機器調整のばらつきを含め、その近傍の状態を含むものである。このように構成すると、演算のモデルをシンプルにでき、位相差の演算が容易になる。
【００１４】
また、請求項６に記載の複屈折位相差測定方法は、例えば図８に示すように、単色光束を生成する光束生成工程（Ｓ００１）と、光束を特定の偏光状態にして、測定対象物３に照射する偏光照射工程（Ｓ００２）と、測定対象物３を透過又は反射した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で選択的に測定し各検光子出力を得る偏光状態測定工程（Ｓ００３）と、各検光子出力から測定対象物３の複屈折位相差を計算する演算工程（Ｓ００４）とを備える。
このように構成すると、位相差の測定を簡易かつ短時間でできる複屈折位相差測定方法を提供できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、回転機構を無くして、試料をセットするだけで即座に位相差の絶対値を測定可能な測定装置と測定方法を提供できる。又は、少数の角度点数で測定し、測定時間を短縮できる測定装置と測定方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１に、第１の実施の形態における複屈折位相差測定装置の構成例を示す。本実施の形態では、偏光状態測定手段４は透過光束を３以上の光束に分割する光束分割手段４０を有する例を示す。
【００１７】
１は単色光束を生成する光束生成手段であり、単色光を射出する光源としてのＨｅ−Ｎｅレーザ１１Ａから構成される。２は光束生成手段１で生成された単色光束を特定の偏光状態にして、測定対象物（試料）３に照射する偏光照射手段である。偏光照射手段２は偏光子２１と１／４波長板２２から構成される。偏光子２１は、光束を偏光させ、また偏光状態の調整が可能である。１／４波長板２２は光束の偏光状態（位相）を９０度（π／２）変更する。本実施の形態では、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１で生成された単色光束は、偏光子２１で直線偏光光束に変換され、１／４波長板２２で円偏光光束に変換されて、測定対象物３に照射される。測定対象物３に照射される特定の偏光状態は円偏光である。
【００１８】
測定対象物３を透過した光束は偏光状態測定手段４に入射される。偏光状態測定手段４は測定対象物３を透過した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で選択的に測定し各検光子出力を得るものであり、本実施の形態では、透過した光束を、３以上の光束に分割する光束分割手段４０（分割された各光束を透過させる検出角度が異なる各検光子５１Ａ〜５１Ｃを含む）と、各検光子５１Ａ〜５１Ｃを透過した光量を検出し各検光子出力を得る光検出器５２Ａ〜５２Ｃとを有する。
【００１９】
光束分割手段４０は、第１の無偏光ビームスプリッタ４１Ａと、第１、第２の偏光ビームスプリッタ４２Ａ、４２Ｂから構成される。第１の無偏光ビームスプリッタ４１Ａは測定対象物３を透過した光束を２分割し、分割された一方の光束を第１の偏光ビームスプリッタ４２Ａに、他方の光束を第２の偏光ビームスプリッタ４２Ｂに出射する。第１の偏光ビームスプリッタ４２Ａは無偏光ビームスプリッタ４１Ａから入射した光束を、その偏光状態（Ｐ偏光とＳ偏光）により２分割し、分割された一方の光束を第１の光検出器５２Ａに、他方を第２の光検出器５２Ｂに出射する。第２の偏光ビームスプリッタ４２Ｂは第１の無偏光ビームスプリッタ４１Ａで分割された他方の光束を、（全てＰ偏光かＳ偏光かにして）分割することなく第３の光検出器５２Ｃに出射する。
【００２０】
本実施の形態では第１の偏光ビームスプリッタ４２Ａが、第１の検光子５１Ａと第２の検光子５１Ｂの機能を有し、第２の偏光ビームスプリッタ４２Ｂが、第３の検光子５１Ｃの機能を有する。したがって、各検光子５１Ａ〜５１Ｃは光束分割手段４０に含まれる。光束分割手段４０を通過する光束の偏光状態については、それぞれ異なる所定の検光子角度における検光子出力を得るように設定される。例えば、第１の検光子角度を０度、第２の検光子角度を９０度、第３の検光子角度をその他の検光子角度になるように設定される。第１の無偏光ビームスプリッタ４１Ａでは透過光の偏光状態は不変である。第１の偏光ビームスプリッタ４２Ａでは、Ｐ偏光とＳ偏光とに分離されるが、分割された一方の光束については検光子角度が第１の検光子角度０度になるように設定され、検光子角度０度の部分が第１の光検出器５２Ａに出射され、他方の光束については検光子角度が第２の検光子角度９０度になるように設定され、検光子角度９０度の部分が第２の光検出器５２Ｂに出射される。第２の偏光ビームスプリッタ４２Ｂでは、Ｐ偏光かＳ偏光の一方が第３の光検出器５２Ｃに出射されるが、第３の検光子角度になるように設定される。検光子角度をこのように選択すると、後述するように演算が容易になり、好適である。また、第３の（その他の）検光子角度として、４５度、１３５度を選択すると演算が容易になり、好適である。
【００２１】
第１〜第３の光検出器５２Ａ〜５２Ｃは、検光子５１Ａ〜５１Ｃとしての第２又は第３の偏光ビームスプリッタ４２Ａ、４２Ｂを透過した光量を検出し、各検光子出力を得る。第１〜第３の光検出器５２Ａ〜５２Ｃで得られた検光子出力は、それぞれ第１〜第３の光増幅器５３Ａ〜５３Ｃで増幅され、演算手段６としてのパーソナルコンピュータに送信される。演算手段６は第１〜第３の光増幅器５３Ａ〜５３Ｃの出力をアナログ入力部６２で取得し、内蔵のソフトウエア（演算プログラム）６１を用いて、各検光子出力から測定対象物（試料）３の複屈折位相差を計算する。これにより、後述するように（（式１１）〜（式１３）参照）、試料３のロール角に影響を受けずに位相差を算出できる。
【００２２】
次に、複屈折位相差（以下、簡単のため単に位相差という）の算出の仕方について説明する。
光の偏光状態を表現する場合、３次元ｘｙｚ座標系において、ｚ方向に進む楕円偏光の電気ベクトル（磁気ベクトルでも良い）のｘ成分をＥｘ、ｙ成分をＥｙとし、検光子角度０度の検光子出力に対応するパラメータをａｘ、検光子角度９０度の検光子出力に対応するパラメータをａｙ、位相差をδとすると、（式１）が成立する。
（Ｅｘ／ａｘ）２＋（Ｅｙ／ａｙ）２−（２ＥｘＥｙ／ａｘａｘ）ｃｏｓδ＝ｓｉｎ２δ・・（式１）
【００２３】
検出角度１３５°（＝９０°＋４５°）の検光子出力に対応するパラメータをａ１３５とすると、楕円（式１）への接線は（式２）で表される。
ｙ＝ｘ＋ｋ・・（式２）
ここに、ｋ＝（√２）ａ１３５である。
【００２４】
図２に、偏光状態の位相差δによる変化の様子を例示する。ここでは、高速軸方向を０°、低速軸方向を９０°、方位角を４５°とし、位相差がδ＝９０°、９０±３°、９０±３０°、９０±９０°の４種類の水晶板を測定したケースの楕円偏光の状態を示す。水晶板を回転すると、楕円の方位角も回転する。図２より、δ＝９０°の場合は、傾斜４５°の直線偏光であり、δが９０°から離れるにつれて楕円の丸みが増加し、δ＝９０±９０°の場合は円偏光となる様子がわかる。
【００２５】
検光子出力は楕円上の座標（Ｅｘ、Ｅｙ）に接する接線の原点からの距離で表現される。例えば、位相差３０°の場合、第１の検光子５１Ａの検光子角度０°、第２の検光子５１Ｂの検光子角度９０°、第３の検光子５１Ｃの検光子角度１３５°における検光子出力は、それぞれ、１．０、１．０、約０．５／√２となる。
【００２６】
簡単のため、
ａ＝１／ａｘ、ｂ＝１／ａｙ、α＝ｃｏｓδ・・（式３）
ｘ＝Ｅｘ，ｙ＝Ｅｙ・・（式４）
と置き換えると、（式１）は（式５）のように変換される。
ａ２ｘ２＋ｂ２ｙ２−２ａｂαｘｙ＝１−α２・・（式５）
（式５）に（式２）を代入すると、（式６）となる。
ａ２ｘ２＋ｂ２（ｘ＋ｋ）２−２ａｂαｘ（ｘ＋ｋ）＋α２−１＝０・・（式６）
（式６）を整理すると、二次方程式（式７）が得られる。
（ａ２＋ｂ２−２ａｂα）ｘ２＋２（ｂ２ｋ−ａｂαｋ）ｘ＋ｂ２ｋ２＋α２−１＝０・・（式７）
【００２７】
楕円（式１）と直線（式２）は接しているので、（式７）は重根を持つ。
よって、二次方程式  Ａｘ２＋Ｂｘ＋Ｃ＝０  の判別式  Ｄ＝Ｂ２−４ＡＣ＝０  より、（式８）が成立する。
Ｄ＝４ｋ２（ｂ２−ａｂα）２−４（ａ２＋ｂ２−２ａｂα）（ｂ２ｋ２＋α２−１）＝０・・（式８）
これをαについて整理すると、（式９）のようになる。
２ａｂα３＋（ａ２ｂ２ｋ２−ａ２−ｂ２）α２−２ａｂα＋ａ２＋ｂ２−ａ２ｂ２ｋ２＝０・・（式９）
ここに、ａ，ｂ，ｋは定数であり、測定可能なので、（式９）よりαを、すなわち、位相差δを計算することが可能である。
【００２８】
一般に、ｅｘ３＋ｆｘ２＋ｇｘ＋ｈ＝０  を  ｘ＝β―ｆ／３ｅ  に置換えて整理すると、（式１０）のうようになる。
β３＋（ｇ／ｅ−ｆ２／３ｅ２）β＋（２ｆ３／２７ｅ３−ｆｇ／３ｅ２＋ｈ／ｅ）＝０・・（式１０）
一般に、β３＋ｐβ＋ｑ＝０  の実数解は、（式１１）のようになる。
【数１】
2006071458.tif 000013
ｐ、ｑをａ，ｂ，ｋで表すと、（式１２）、（式１３）のようになる。
ｐ＝−（１＋（ａ２ｂ２ｋ２−ａ２−ｂ２）２／１２ａ２ｂ２）・・（式１２）
ｑ＝（ａ２ｂ２ｋ２−ａ２−ｂ２）３／１０８ａ３ｂ３−（ａ２ｂ２ｋ２−ａ２−ｂ２）／６ａｂ＋（ａ２＋ｂ２−ａ２ｂ２ｋ２）／２ａｂ・・（式１３）
これによりβを、すなわち、αを求めることができる。また、α＝ｃｏｓδ  から位相差δを求めることができる。ただし、ｃｏｓ関数の特性により、δの符号はわからず、絶対値のみがわかる。  
│δ│＝０〜１８０度である。
【００２９】
図３に、方位角４５°＋３０°＝７５°、位相差±３０°の場合の偏光状態を例示する。図２の状態から方位角が３０°左廻りに回転した状態、すなわち、水晶板を３０°左廻りに回転させた状態（高速軸、低速軸がそれぞれｘ軸、ｙ軸から３０°回転した状態）である。位相角は３０°であるから、偏光状態は、図２の位相角３０°の楕円偏光を３０°左廻りに回転させた状態となっている。
【００３０】
第１の検光子５１Ａの検出角度０°、第２の検光子５１Ｂの検出角度９０°、第３の検光子５１Ｃの検出角度１３５°における検光子出力を求める場合、楕円に接する接線の方程式は、それぞれ、ｘ＝ａ０、ｙ＝ａ９０、ｙ＝ｘ＋（√２）ａ１３５  （それぞれ図中に破線で示す）である。
このように、方位角が変化した場合も、位相差により検光子出力が対応して定まるので、逆に３つの検光子出力を測定することにより、位相差を求めることができる。
【００３１】
このように本実施の形態によれば、単色光束を測定対象物に照射し、測定対象物を透過又は反射した光束を、検光子角度の異なる３つの検光子出力を選択的に測定することにより、位相差の絶対値を求めることができる。これによれば、回転機構を無くして、試料をセットするだけで即座に位相差を測定可能である。
【００３２】
本実施の形態の場合に、偏光状態測定手段に無偏光光を入射しても、第１〜第３の光検出器５１Ａ〜５１Ｃの間で入射光量にアンバランスが生じ得るが、無偏光ビームスプリッタ４１Ａ及び偏光ビームスプリッタ４１Ｂ，４１Ｃの透過率、反射率がわかっているので、補正が可能である。
また、光束生成手段１の光源として、レーザに代えてレーザダイオードＬＤを使用することも可能である。
【００３３】
図４に、第２の実施の形態における複屈折位相差測定装置の構成例を示す。本実施の形態も、偏光状態測定手段４は透過光束を３以上の光束に分割する光束分割手段４０を有する例であるが、光源としてレーザに代えて発光ダイオードＬＥＤを使用すること、検光子として、偏光ビームスプリッタに代えてグラントムソンプリズムを使用すること等が異なる。なお、図１と同じ部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００３４】
最近は高出力のＬＥＤを入手できるので、光束生成手段１の光源として利用できる。ただし、ＬＥＤ１１Ｂの出射光は単色光ではないので、狭帯域フィルター１２を用いて所定の波長の光束に絞る。狭帯域フィルター１２は例えば半値幅５ｎｍのフィルターを用いる。また、第１のレンズ系１３Ａ及び第２のレンズ系１３Ｂは、測定対象物３に平行光束を照射するため、また、測定対象物に集光させたり、適当な光束径にするために使用される。ここにおいて、光束生成手段１はＬＥＤ１１Ｂ、狭帯域フィルター１２及び第１のレンズ系１３Ａから構成される。また、ＬＥＤ１１Ｂの出射光は無偏光なので、偏光子２１で偏光を作成する（典型的には直線偏光にする）。偏光照射手段２は第１の実施の形態と同様である。
【００３５】
測定対象物３を透過した光束は、第２のレンズ系１３Ｂを通った後に、偏光状態測定手段４に入射される。本実施の形態では、透過した光束を３以上の光束に分割する光束分割手段、及び分割された各光束を透過させる異なる検光子角度の各検光子が、第１の実施の形態とは異なる。光束分割手段４０は、第２、第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂ、４１Ｃから構成され、第１〜第３の検光子５１Ａ〜５１Ｃは、それぞれ第１〜第３のグラントムソンプリズム５４Ａ〜５４Ｃから構成される。グラントムソンプリズムは消光比が大きく、高精度の測定が可能である。消光比は例えば１０６：１以上が可能である。
【００３６】
第２の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂは測定対象物３を透過した光束を２分割し、分割された一方の光束を第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃに、他方を第３のグラントムソンプリズム５４Ｃに出射する。第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃは第２の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂで分割された一方の光束を２分割し、分割された一方の光束を第１のグラントムソンプリズム５４Ａに、他方を第２のグラントムソンプリズム５４Ｂに出射する。第１のグラントムソンプリズム５４Ａは第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃで分割された一方の光束を、第１の光検出器５２Ａに出射し、第２のグラントムソンプリズム５４Ｂは第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃで分割された他方の光束を、第２の光検出器５２Ｂに出射し、第３のグラントムソンプリズム５４Ｃは第２の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂで分割された他方の光束を、第３の光検出器５２Ｃに出射する。
【００３７】
ここにおいて、光束分割手段４０は、第２の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂ及び第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃから構成される。第２、第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂ、４１Ｃでは透過光の偏光状態は不変である。光束分割手段４０を通過した光束は、第１〜第３のグラントムソンプリズム５４Ａ〜５４Ｃに入射され、第１〜第３のグラントムソンプリズム５４Ａ〜５４Ｃが第１〜第３の検光子５１Ａ〜５１Ｃの機能を有する。第１〜第３のグラントムソンプリズム５４Ａ〜５４Ｃは、それぞれ異なる所定の検光子角度における検光子出力を得るように設定される。例えば、第１の検光子角度を０度、第２の検光子角度を９０度、第３の検光子角度をその他の検光子角度になるように設定される。第１のグラントムソンプリズム５４Ａでは、検光子角度が第１の検光子角度０度になるように設定され、第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃで分割された一方の光束の検光子角度０度の部分が第１の光検出器５２Ａに出射される。第２のグラントムソンプリズム５４Ｂでは、検光子角度が第２の検光子角度９０度になるように設定され、第３の無偏光ビームスプリッタ４１Ｃで分割された他方の光束の検光子角度９０度の部分が第２の光検出器５２Ｂに出射される。第３のグラントムソンプリズム５４Ｃでは、検光子角度が第３の検光子角度になるように設定され、第２の無偏光ビームスプリッタ４１Ｂで分割された他方の光束の第３の検光子角度（その他の検光子角度）の部分が第３の光検出器５２Ｃに出射される。第３の（その他の）検光子角度として、４５度、１３５度を選択すると好適である。
【００３８】
各光検出器５２Ａ〜５２Ｃから後段は、第１の実施の形態と同じである。
また、偏光子、検光子として、方解石を利用したグラントムソンプリズムの他に、方解石を利用したグランテーラープリズム、他の薄型の偏光素子も利用可能である。
【００３９】
図５に、第３の実施の形態における複屈折位相差測定装置の構成例を示す。本実施の形態は、偏光状態測定手段４は透過光束を３以上の光束に分割する光束分割手段を有する代わりに、検光子を回転させて選択的に３つの検光子角度を選んで測定する例を示す。従来の回転光子法では、連続的に０〜３６０度を取得していたが、本実施の形態では３点のみを測定すれば良く、大いに簡素化が図られる。また、光源に白色光源を使用し、波長をスキャンさせている。なお、図１，図２と同じ部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００４０】
１１Ｃはハロゲンランプやキセノンランプ等の白色光源である。白色光源１１Ｃからの出射光を分光器（モノクロメータ）１４を通すことによって、所望の波長を有する単色光とし、位相差の測定に用いる。ここにおいて、光束生成手段１は白色光源１１Ｃ及び分光器１４から構成される。また、測定対象物３の入射側に集光のため第３のレンズ系１３Ｃが用いられる。偏光照射手段２は第１および第２の実施の形態と同様である。
【００４１】
分光器１４の出力波長を変化させながら測定することにより、位相差の波長依存性を把握できる。最近の分光器は、分光用の反射型回転格子の角度をコンピュータ制御して、出射光の波長をコントロール可能であり、位相差の波長依存性を効率的に測定できる。
【００４２】
図５において、４３は検光子が回転可能に搭載され、３種類以上の検光子角度で選択的に測定し各検光子出力を得ることができる回転偏光ビームスプリッタ機構である。回転偏光ビームスプリッタ機構４３として例えば回転検光子を使用できる。例えば３種類の検光子角度で選択的に検光子出力を測定することにより、第１及び第２の実施の形態と同様に、簡易な測定で、測定対象物３の位相差の絶対値を求めることができる。
【００４３】
４４は回転偏光ビームスプリッタ機構４３内の検光子の検光子角度（回転角度）を出力し、演算手段６としてのパーソナルコンピュータに送信する角度エンコーダである。光検出器−光増幅器は１系統で良く、第４の光検出器５２Ｄ、第４の光増幅器５３Ｄとして、第１〜第３の光検出器５２Ａ〜５２Ｃ、第１〜第３の光増幅器５３Ａ〜５３Ｃと同様のものを使用できる。パーソナルコンピュータ６の機能は第１及び第２の実施の形態とほぼ同様であるが、３個の光増幅器からそれぞれの検光子角度での検光子出力を取得する代わりに、１個の光増幅器５３Ｄから３種類の検光子角度で選択的に測定された検光子出力を取得する。また、分光器１４と接続されて出射光の波長を取得すると共に、角度エンコーダ４４に接続されて検光子角度を取得し、位相差を演算するだけでなく、位相差の波長依存性を演算でき、また、位相差の、回転偏光ビームスプリッタ機構４３の検光子の回転角度による影響を把握できる。
【００４４】
図６に、第４の実施の形態における複屈折位相差測定装置の構成例を示す。本実施の形態では、第１の実施の形態を基にしてＳＮＲ（信号−ノイズ比）を改良するものである。光束生成手段１の光源としてのレーザ（例えば半導体レーザ）１１Ｄに駆動回路１５を接続して、例えば１００ｋＨｚで変調をかけ、他方、第１〜第３の光増幅器５３Ａ〜５３Ｃに１００ｋＨｚ付近の信号のみを通過するバンドパスフィルタを挿入し、光束を変調させてレーザ１１Ｄを駆動するものである。測定する帯域を絞ることにより、外乱光（ＤＣ又は低周波信号）のカットや回路系のホワイトノイズカット（全帯域）が可能となり、これによりＳＮＲ（信号−ノイズ比）を大きく取ることができる。また、光源としてレーザダイオードを用い、変調させることも可能である。
【００４５】
図７に、第５の実施の形態における複屈折位相差測定装置の構成例を示す。本実施の形態は、第４の実施の形態の駆動回路１５と第１〜第３の光増幅器５３Ａ〜５３Ｃに同期信号源７を接続し、同期信号を用いて、波長の変調と検光子出力の検波を同期させるものである。これによりＳＮＲをさらに大きく取ることができる。また、光源としてレーザダイオードを用いて変調発光させ、それに同期検波させることも可能である。
【００４６】
図８に本発明の第１〜第５の実施の工程における複屈折位相差測定方法の処理フローをまとめて示す。まず、光束生成工程（ステップＳ００１）で、単色光束を生成する。単色光束の生成は、第１の実施の形態のようにレーザ１１Ａのような単色光源を使用しても良く、第２、第３の実施の形態のように、ＬＥＤ光源１１Ｂや白色光源１１Ｃからの射出光を狭帯域フィルター１２や分光器１４を通して単色光束を生成しても良い。次に、偏光照射工程（ステップＳ００２）で、光束を特定の偏光状態にして、測定対象物３に照射する。光束を特定の偏光状態にするには偏光子２１及び１／４波長板２２が用いられる。上記実施の形態では特定の偏光状態が直線偏光である例を示したが、円偏光でも良く、楕円偏光でも良い。次に、偏光状態測定工程（ステップＳ００３）で、測定対象物３を透過又は反射した光束の偏光状態を、３種類以上の検光子角度で選択的に測定し各検光子出力を得る。３種類以上の検光子角度を得るために、第１、第２の実施の形態のように、透過した光束を３以上の光束に分割する光束分割手段４０を使用し、分割された３以上の光束を異なる検光子角度の検光子５１Ａ〜５１Ｃを介して、光検出器５２Ａ〜５２Ｃで各検光子出力を検出し、光増幅器５３Ａ〜５３Ｃを介して演算手段６に送信しても良く、第３の実施の形態のように、検光子角度を３種類以上に変更可能な回転検光子４３を通して３種類以上の検光子角度で、光検出器５２Ｄで各検光子出力を検出し、光増幅器５３Ｄを介して演算手段６に送信しても良い。また、光束分割手段４０には、無偏光ビームスプリッタや偏光ビームスプリッタを用いても良く、検光子５１Ａ〜５１Ｃには、偏光ビームスプリッタを用いても良く、グラントムソンプリズムを用いても良い。次に、演算工程（ステップＳ００４）で、演算手段６により、各検光子出力から測定対象物３の複屈折位相差を計算する。演算では、例えば、各検光子角度に対応する出力パラメータａ，ｂ．ｋから複屈折位相差δを計算する。
【００４７】
以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更を加えられることは明白である。
【００４８】
例えば、以上の実施の形態では測定対象物に円偏光を入射させる例を説明したが、直線偏光を入射させても良い。この場合、例えば、測定対象物が１／４波長板であれば、直線偏光を入射すると、出射光は円偏光になる。位相差が９０度であれば理想的な円偏光になるが、位相差が９０度からずれると楕円偏光になる。したがって、以上の実施の形態と同様の方法で楕円偏光の式を求めることができる。
【００４９】
また、以上の実施の形態では検光子角度が、０°、９０°、１３５°の場合を説明したが、他の角度を選んでも、同様の演算が可能である。この場合は三元三次方程式を解くことになり、演算が複雑になるが可能である。
また、以上の実施の形態では３種類の検光子角度を用いる例を説明したが、４種類以上用いても良い。この場合には、演算に使用できるデータが複数組存在するので、演算される位相差の信頼度が向上する。
【００５０】
また、測定範囲を拡大縮小したり、適当な光束を得るために偏光状態に実質影響を与えないレンズなどを挿入しても良い。また、各光学素子を直列配列する代わりに、光ファイバを用いて光学素子間を連結しても良い。また、以上の実施の形態ではビームスプリッタや回転検光子を用いて光束を分割する例を説明したが、光束内に３個の検光子を並列に並べたり、光束内に反射角度の異なるミラーを並べて光束を３方向に分割したり、光束内に３本の光ファイバを挿入し、それぞれ３個の検光子に光を導いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
光学部品などの複屈折位相差測定に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１の実施の形態における複屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。
【図２】位相差による偏光状態の変化の様子を例示する図である。
【図３】位相差±３０°、方位角４５°＋３０°の偏光状態を例示する図である。
【図４】第２の実施の形態における複屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。
【図５】第３の実施の形態における複屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。
【図６】第４の実施の形態における複屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。
【図７】第５の実施の形態における複屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態における複屈折位相差測定方法の処理フローを示す図である。
【図９】従来の複屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１    光束生成手段
２    偏光照射手段
３    測定対象物（試料）
４    偏光状態測定手段
６    演算手段
７    同期信号源
１１Ａ  Ｈｅ−Ｎｅレーザ
１１Ｂ  発光ダイオード（ＬＥＤ）
１１Ｃ  白色光源
１２  狭帯域フィルター
１３Ａ〜１３Ｃ  第１〜第３ののレンズ系
１４  分光器
１５  駆動回路
２１  偏光子
２２  １／４波長板
４０  光束分割手段
４１Ａ〜４１Ｃ  第１〜第３の無偏光ビームスプリッタ
４２Ａ、４２Ｂ  第１、第２の偏光ビームスプリッタ
４３  回転偏光ビームスプリッタ機構（回転検光子）
４４  角度エンコーダ
５１Ａ〜５１Ｃ  第１〜第３の検光子
５２Ａ〜５２Ｃ  第１〜第３の光検出器
５３Ａ〜５３Ｃ  第１〜第３の光増幅器
５４Ａ〜５４Ｃ  第１〜第３のグラントムソンプリズム
１０１  光源
１０２  単色光フィルター
１０３  偏光子
１０４  １／４波長板
１０５  測定対象物
１０６  検光子
１０７  光検出器
１０８  光出力表示器
１０９  コリメータアーム
１１０  テレスコープアーム
δ      位相差