(57)【要約】  一体型偏光干渉計及びそれを適用したスナップショット分光偏光計が提供される。本発明の実施形態に係る一体型偏光干渉計は、入射される複合波を分離する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーと、を含む。これにより、一体型偏光干渉計を用いて、外部振動などによる外乱に強い分光偏光現象のスナップショット測定が可能となり、測定の反復度および精度を向上できるようになる。【選択図】図１
2019508688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射される複合波を分離する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、
前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーと、
を含むことを特徴とする一体型偏光干渉計。
【請求項２】
前記一体型偏光干渉計内において、前記第１の偏光の経路長は、前記第２の偏光の経路長と差があることを特徴とする請求項１に記載の一体型偏光干渉計。
【請求項３】
前記第１のミラーは、前記偏光ビームスプリッタに直接またはスペーサを介して貼り付けられ、
前記第２のミラーは、前記偏光ビームスプリッタに、スペーサを介して、または直接貼り付けられることを特徴とする請求項２に記載の一体型偏光干渉計。
【請求項４】
前記差は、
紫外線または可視光線領域に対して２０〜６０μｍであり、
近赤外線または赤外線領域に対して６０〜５００μｍであることを特徴とする請求項３に記載の一体型偏光干渉計。
【請求項５】
前記第１の偏光は、Ｐ−偏光であり、
前記第２の偏光は、Ｓ−偏光であることを特徴とする請求項４に記載の一体型偏光干渉計。
【請求項６】
光源から照射される光を線形偏光させる第１の線形偏光子と、
前記第１の線形偏光子から出射され、オブジェクトを透過または反射して生成された複合波を偏光変調する一体型偏光干渉計と、
前記一体型偏光干渉計から出射される二つの波動を干渉させる第２の線形偏光子と、
前記第２の線形偏光子から出射される光の分光偏光情報を測定する測定装置と、
を含み、
前記一体型偏光干渉計は、
入射される複合波を分離する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、
前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーと、
を含むことを特徴とするスナップショット分光偏光計。
【請求項７】
前記第１の線形偏光子と前記第２の線形偏光子は、同じ方向の線形偏光子であることを特徴とする請求項６に記載のスナップショット分光偏光計。
【請求項８】
前記一体型偏光干渉計において、前記第１の偏光の経路長は、前記第２の偏光の経路長と差があることを特徴とする請求項６に記載のスナップショット分光偏光計。
【請求項９】
前記測定装置の測定波長領域は、可視光線領域、紫外線領域、近赤外線領域、赤外線領域の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載のスナップショット分光偏光計。
【請求項１０】
入射される複合波を分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記ビームスプリッタを透過した光を偏光させる第１の偏光子と、
前記第１の偏光子から出射される第１の偏光を前記ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、
前記ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記ビームスプリッタで反射された光を偏光させる第２の偏光子と、
前記第２の偏光子から出射される第２の偏光を前記ビームスプリッタに反射する第２のミラーと、
を含むことを特徴とする一体型偏光干渉計。
【請求項１１】
光源から照射される光を線形偏光させる線形偏光子と、
前記線形偏光子から入射される偏光を変調する一体型偏光干渉計と、
前記一体型偏光干渉計で変調された干渉波動を２つの経路に分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分離された第１の光を周期的にオブジェクトに伝達し、前記ビームスプリッタで分離された第２の光を周期的にオブジェクトのない経路に伝達するチョッパーホイールと、
前記第１の光と前記第２の光の分光偏光情報を測定する測定装置と、
を含み、
前記一体型偏光干渉計は、
前記線形偏光子から入射される前記偏光を分離する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、
前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーと、
を含むことを特徴とするスナップショット分光偏光計。
【請求項１２】
前記測定装置の測定波長領域は、可視光線領域、紫外線領域、近赤外線領域、赤外線領域の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１１に記載のスナップショット分光偏光計。
【請求項１３】
光源から照射される光を線形偏光させる線形偏光子と、
前記線形偏光子から入射される偏光を変調する一体型偏光干渉計と、
前記一体型偏光干渉計で変調された干渉波動を分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより分離されてオブジェクトを透過または反射した第１の光の分光偏光情報を測定する第１の測定装置と、
前記ビームスプリッタにより分離されて前記オブジェクトを透過または反射していない第２の光の分光偏光情報を測定する第２の測定装置と、
を含み、
前記一体型偏光干渉計は、
前記線形偏光子から入射される前記偏光を分離する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、
前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーと、
を含むことを特徴とするスナップショット分光偏光計。
【請求項１４】
前記第１の測定装置と前記第２の測定装置の測定波長領域は、可視光線領域、紫外線領域、近赤外線領域、赤外線領域の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１３に記載のスナップショット分光偏光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光偏光計及びそれに適用可能な偏光干渉計に関し、測定対象となるオブジェクトを透過／反射した光の分光偏光情報を示すストークスベクトル（Stokes vector）を高速に測定する分光偏光計、及びそれに適用する偏光干渉計に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光偏光計測技術は、様々な分野に適用可能な最も正確なソリューションの一つである。ＳＤ ＰＳ−ＯＣＴ（spectral domain polarization−sensitive optical coherence tomography）、リアルタイム高感度ＳＰＲ（surface−plasmon resonance）バイオセンシング、およびＣＤ（circular dichroism）測定などに干渉計と偏光計を組み合わせようとする研究があった。
【０００３】
従来の分光偏光計測システムは、ストークスベクトルを導き出すための楕円分光パラメータΨ（ｋ）及びΔ（ｋ）を抽出するために、機械的な回転器具や電気的な変調素子を利用しており、一般的に秒単位以上の測定時間がかかる問題を有している。この測定時間の問題を解決するために、スナップショットに基づく分光偏光計測技術が提案された。しかし、既存のスナップショット技術は、従来の干渉計の原理に基づいたものであるため、スナップショットの測定はできるが、外部振動などによる外乱に弱いという根本的な問題を有している。このため、機械的な偏光素子回転方式や電気的な変調素子方式の分光偏光計測技術が提供できる測定の反復度及び安定度の性能を提供することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、前記問題点を解決するために案出されたものであり、本発明の目的は、外部振動等による外乱に強い一体型偏光干渉計及びそれを適用したスナップショット分光偏光計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するための本発明の一実施形態に係る一体型偏光干渉計は、入射される複合波を分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーとを含む。
【０００６】
また、前記一体型偏光干渉計内における前記第１の偏光の経路長は、前記第２の偏光の経路長と差があってもよい。
【０００７】
また、前記偏光ビームスプリッタと前記第１のミラーとの間の貼り付け間隔は、前記偏光ビームスプリッタと前記第２のミラーとの間の貼り付け間隔と差があってもよい。
【０００８】
そして、前記差は、紫外線または可視光線領域に対して２０〜６０μｍであり、近赤外線または赤外線領域に対して６０〜５００μｍであってもよい。
【０００９】
また、前記第１の偏光はＰ−偏光であり、前記第２の偏光はＳ−偏光であってもよい。
【００１０】
一方、本発明の他の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、光源から照射される光を線形偏光させる第１の線形偏光子と、前記第１の線形偏光子から出射されてオブジェクトを透過した光を偏光変調する一体型偏光干渉計と、前記一体型偏光干渉計から出射される二つの波動を干渉させる第２の線形偏光子と、前記第２の線形偏光子から出射される光の分光偏光情報を測定する測定装置とを含み、前記一体型偏光干渉計は、入射される複合波を分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの第１面に直接またはスペーサを介して貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、前記偏光ビームスプリッタの第２面に直接またはスペーサを介して貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーとを含む。
【００１１】
そして、前記第１の線形偏光子と前記第２の線形偏光子は、４５°方向の線形偏光子であってもよい。
【００１２】
また、前記一体型偏光干渉計において、前記第１の偏光の経路長は、前記第２の偏光の経路長と差があってもよい。
【００１３】
そして、前記偏光ビームスプリッタと前記第１のミラーとの間の貼り付け間隔は、前記偏光ビームスプリッタと前記第２のミラーとの間の貼り付け間隔と差があってもよい。
【００１４】
一方、本発明の他の実施形態に係る一体型偏光干渉計は、入射される複合波を分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記ビームスプリッタを透過した光を偏光させる第１の偏光子と、前記第１の偏光子から出射される第１の偏光を前記ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、前記ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記ビームスプリッタで反射された光を偏光させる第２の偏光子と、前記第２の偏光子から出射される第２の偏光を前記ビームスプリッタに反射する第２のミラーとを含む。
【００１５】
一方、本発明の他の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、光源から照射される光を線形偏光させる線形偏光子と、前記線形偏光子から入射される偏光を変調する一体型偏光干渉計と、前記一体型偏光干渉計で変調された干渉波動を２つの経路に分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで分離された第１の光を周期的にオブジェクトに伝達し、前記ビームスプリッタで分離された第２の光を周期的にオブジェクトのない経路に伝達するチョッパーホイールと、前記第１の光と前記第２の光の分光偏光情報を測定する測定装置とを含み、前記一体型偏光干渉計は、前記線形偏光子から入射される偏光を分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーとを含む。
【００１６】
一方、本発明の他の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、光源から照射される光を線形偏光させる線形偏光子と、前記線形偏光子から入射される偏光を変調する一体型偏光干渉計と、前記一体型偏光干渉計で変調された干渉波動を分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより分離されてオブジェクトを透過または反射した第１の光の分光偏光情報を測定する第１の測定装置と、前記ビームスプリッタにより分離されてオブジェクトを透過または反射していない第２の光の分光偏光情報を測定する第２の測定装置とを含み、前記一体型偏光干渉計は、前記線形偏光子から入射される偏光を分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーとを含む。
【発明の効果】
【００１７】
以上で説明したように、本発明の実施形態によると、一体型偏光干渉計を用いて、外部振動などによる外乱に強い分光偏光現象のスナップショット測定が可能となり、測定の反復度及び精度を向上できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計を示す図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施形態に係る一体型偏光干渉計を示す図である。
【図３】図３は、オブジェクトが存在しない場合における、単一分光センシングモジュールで測定される干渉スペクトルデータである。
【図４】図４は、オブジェクトにＱＷＰを置き、１０°ずつ回転させながらΔａ（ｋ）を測定した結果を示すものである。
【図５】図５は、本発明のまた他の実施形態に係る一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計を示す図である。
【図６】図６は、本発明のまた他の実施形態に係る一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計を示す図である。
【図７】図７は、図６に示すチョッパーホイールの構造図である。
【図８】図８は、本発明のまた他の実施形態に係る一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計を示す図である。
【図９】図９は、図８に示す構成により５００ｎｍの酸化シリコン薄膜のΔａ（ｋ）を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計を示す図である。
【００２１】
本発明の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、スナップショット（snapshot／single shot）方式で、測定対象となるオブジェクト１６０の分光偏光情報を示すストークスベクトル（Stokes vector）をリアルタイム／高速に測定するためのシステムである。
【００２２】
本発明の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、機械的な回転器具や電気的な変調素子を用いることなく、ただ一つの干渉分光データだけから、多波長の情報を有するストークスベクトル（Stokes vector）をリアルタイムで測定することができる。
【００２３】
本発明の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、図１に示すように、光源１１０、光ファイバ１２０、コリメートレンズ１３０、ＬＰ（Linear Polarizer）１４０、アイリス１５０、ＢＳ（Beam Splitter）１７０、ＰＭＭ（Polarization Modulation Module）１８０、およびＬＰ（Linear Polarizer）１９０を含む。
【００２４】
光源１１０としては、白色光源（white light source）を用いており、たとえば１００Ｗタングステン−ハロゲンランプ（100W Tungsten−Halogen lamp）を使用できるが、他の種類の光源を使用することもできる。
【００２５】
光源１１０から照射された光は、光ファイバ１２０に伝達されてコリメートレンズ１３０で平行光に変換される。この平行光は、ＬＰ１４０で４５°方向に線形偏光される。アイリス１５０は、ＬＰ１４０を通過した線形偏光の大きさを調節する。
【００２６】
アイリス１５０によって適正サイズに調節された線形偏光は、測定対象となる、異方性を有する透過型オブジェクト１６０を通過した後、ＢＳ１７０を透過してＰＭＭ１８０に入射する。
【００２７】
ＰＭＭ１８０は、オブジェクト１６０を通過した波動を偏光変調する一体型偏光干渉計である。ＰＭＭ１８０は、図１に示すように、ＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter）１８１及びミラー（Mirror）１８３、１８５を含む。
【００２８】
ＰＢＳ１８１は、入射される複合波を分離して、Ｐ偏光を透過させてミラー１８３に入射させ、Ｓ偏光を反射してミラー１８５に入射させる。
【００２９】
ミラー１８３、１８５は、ＰＢＳ１８１に貼付／固定されている。具体的には、ミラー１８３は、ＰＢＳ１８１の一側面に貼り付けられ、ＰＢＳ１８１を透過したＰ偏光を反射し、ミラー１８５は、ＰＢＳ１８１の下面に貼り付けられ、ＰＢＳ１８１で反射されたＳ偏光を反射する。
【００３０】
分光偏光信号に高周波信号を生成するために、ＰＭＭ１８０内でＰＢＳ１８１を透過した後、ミラー１８３で反射されてＰＢＳ１８１を透過するＰ偏光の光路長と、ＰＢＳ１８１で反射された後、ミラー１８５で反射されてＰＢＳ１８１で反射されるＳ偏光の光路長とには、差がある。つまり、いずれか一方の光路長がいずれか他方の光路長よりも長いが、測定波長領域が紫外線または可視光線領域である場合は、２０〜６０μｍ長く、測定波長領域が近赤外線または赤外線領域である場合は、６０〜５００μｍ長い。
【００３１】
Ｐ偏光の光路長が長くてもよく、Ｓ偏光の光路長が長くてもよい。
【００３２】
光路長の差を発生させるために、ＰＢＳ１８１とミラー１８３との間の貼り付け間隔と、ＰＢＳ１８１とミラー１８５との間の貼り付け間隔は、差がある。つまり、ミラー１８３とミラー１８５のいずれか一方が、他方よりもＰＢＳ１８１からさらに離れているが、測定波長領域が紫外線または可視光線領域である場合は、２０〜６０μｍほど離れており、測定波長領域が近赤外線または赤外線領域である場合は、６０〜５００μｍほど離れている。
【００３３】
２０〜６０μｍまたは６０〜５００μｍの間隔差を発生させるために、ミラー１８３とミラー１８５との間に２０〜６０μｍ又は６０〜５００μｍの光路長の差を有するように二つのミラーを精密に整列するか、または経路差程度の厚さを有するスペーサを挿入することができる。
【００３４】
なお、ＰＭＭ１８０の構成を、ＰＢＳ１８１と２つのミラー１８３、１８５との組み合わせではなく、ＮＰＢＳ（Non−polarizing Beam Splitter）、２つの偏光子（Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）、二つのミラーの組み合わせにしてもよい。この組み合わせの構成を図２に示す。
【００３５】
図２では、図１に示すＰＢＳ１８１の１つの役割を、ＮＰＢＳ１８６によって分離された二つのビーム経路に一体型に貼り付けられた、互いに垂直偏光方向の二つのＬＰ（Linear Polarizer）１８７、１８８の組み合わせに置き換えた構造を示している。ＰＢＳは、約１／１０００の制限的な偏光消光比（extinction ratio）を有するため、偏光測定の最高性能に制限があり得る。このため、ＮＰＢＳと二つのＰｏｌａｒｉｚｅｒとの組み合わせによってＰＢＳの機能を代替すると、高い消光比を持たせることができる。
【００３６】
ミラー１８３、１８５は、ＬＰ１８７、１８８に貼付／固定され、光路長の差を発生させるために、ＬＰ（Ｐ−偏光方向）１８７とミラー１８３との間の貼り付け間隔と、ＬＰ（Ｓ−偏光方向）１８８とミラー１８５との間の貼り付け間隔に差があることは、図１に示すのと同様である。
【００３７】
図１に戻り説明を続ける。
【００３８】
ＰＭＭ１８０によって偏光変調された二つの波動は、ＢＳ１７０で反射された後、ＬＰ１９０で４５°の方向に線形偏光されることにより干渉が発生する。干渉波は、単一分光センシングモジュール（Single Spectrum Sensing Module）（図示せず）に入射する。単一分光センシングモジュールは、センサアレイタイプの分光器であってもよい。
【００３９】
本発明の実施形態に係るスナップショット分光偏光計に含まれたＬＰ１４０は、光干渉のコントラストを向上させるための要素である。
【００４０】
単一分光センシングモジュールは、スナップショット方式で透過型異方性素子の分光偏光情報を示すストークスベクトルを測定する。
【００４１】
以下では、ＰＭＭ１８０で具現した一体型偏光干渉計での偏光変調によって発生する干渉現象を数式で詳細に説明する。
【００４２】
単一分光センシングモジュールによって測定された分光偏光情報は、次の数学式（１）で表すことができる。
【００４３】
【数１】
2019508688.tif 000003
【００４４】
ここで、ｋは波数（wavenumber）であって２π／λであり、Ｅp_４５°（ｋ）及びＥs_４５°（ｋ）は、次の数学式（２）で表されるＥｐ（ｋ）とＥｓ（ｋ）の複合波（complex wave）に対する４５°成分である。
【００４５】
【数２】
2019508688.tif 000004
【００４６】
ここで、Ｅｉｎ（ｋ）は、一体型偏光干渉計の入口での入力波動を示す。Ｅｐ（ｋ）は、ＰＢＳ１８１を透過してミラー１８３で反射されて進行するＰ偏光であり、Ｅｓ（ｋ）は、ＰＢＳ１８１とミラー１８５で反射されて進行するＳ偏光である。ｚｐ及びｚｓは、一体型偏光干渉計内におけるＰ−偏光及びＳ−偏光の光路長をそれぞれ示す。
【００４７】
一方、オブジェクト１６０が存在しない場合の分光干渉信号は、次の数学式（３）で表される。
【００４８】
【数３】
2019508688.tif 000005
【００４９】
ここで、ｚ０は、光路長の差であって、ｚ０＝|ｚｐ−zｓ|である。ｚｐとｚｓの間の光路長の差は、スナップショットで偏光分光位相を得るために必要な高周波分光干渉を発生させる。スペクトル位相関数Φｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）は、スペクトルドメインに適用されるフーリエ変換法やダイレクト位相計算法を用いて導出できる。
【００５０】
オブジェクト１６０が存在する場合の分光干渉信号は、次の数学式（４）で表される。
【００５１】
【数４】
2019508688.tif 000006
【００５２】
透過性オブジェクト１６０が存在しない場合と存在する場合の各々において、一体型偏光干渉計の入口での入射波Ｅｉｎ（ｋ）は、次の数学式（５）で表される。
【００５３】
【数５】
2019508688.tif 000007
【００５４】
スペクトル位相関数Φｏｂｊｅｃｔ（ｋ）は、前述のフーリエ変換法などで導き出すことができる。オブジェクト１６０によって発生する位相差Δａ（ｋ）は、次の数学式（６）のように、Φｏｂｊｅｃｔ（ｋ）からΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を減算して算出する。
【００５５】
【数６】
2019508688.tif 000008
【００５６】
図３は、オブジェクト１６０が存在しない場合における、単一分光センシングモジュールで測定される干渉スペクトルのデータであり、図４は、オブジェクト１６０にＱＷＰ（Quarter Wave Plate）を置き、１０°ずつ回転させながらΔａ（ｋ）を測定した結果である。
【００５７】
図４において、実線は、本発明の実施形態に係る手法で測定したものであり、点線は、機械的な偏光素子方式の手法で測定したものであるが、大きな差はないことが分かる。
【００５８】
図５は、本発明の他の実施形態に係る一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計を示す図である。
【００５９】
図５に示すスナップショット分光偏光計は、ナノパターン及びロールナノパターンなどのような反射型試料の分光偏光情報を測定するためのシステムである点で、透過型試料の分光偏光情報を測定するための図１に示すシステムとは構造的な差異がある。
【００６０】
図５に示す構成のうち、光源２１０、光ファイバ２２０、コリメートレンズ２３０、ＬＰ２４０、ＰＭＭ２７０、及びＬＰ２８０は、図１に示す光源１１０、光ファイバ１２０、コリメートレンズ１３０、ＬＰ１４０、ＰＭＭ１８０、及びＬＰ１９０と同等に具現してもよい。
【００６１】
レンズ２６１とＮＰＢＳ２６３、２６５は、ＬＰ１４０で線形偏光された光を測定対象となる反射型オブジェクト２５０に伝達し、反射型オブジェクト２５０から出射される複合波をＰＭＭ２７０に入射させ、ＰＭＭ２７０で偏光変調された二つの波動をＬＰ２８０に入射させるための構成である。
【００６２】
ＬＰ２８０に入射された二つの波動は、４５°方向に線形偏光されることで干渉され、干渉波はレンズ２９０を介して分光計３００に入射される。
【００６３】
以上、一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計について、好ましい実施形態により詳細に説明した。
【００６４】
図１において、オブジェクト１６０によって発生する位相差Δａ（ｋ）は、数学式（６）のように、Φｏｂｊｅｃｔ（ｋ）からΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を減算して算出する。つまり、分光オブジェクトが存在しない場合の測定結果を利用して信号補正を行うことにより、測定しようとするオブジェクトの正確な分光偏光位相差であるΔａ（ｋ）を得ることができる。
【００６５】
しかし、オブジェクトが存在しない場合のスペクトル位相関数Φｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）は、大気の温度変化などの外乱により、微小ではあるが変化することがあるため、高精度の測定のためには恒温恒湿などの環境制御が必要である。
【００６６】
恒温恒湿の制御システムのない一般環境で外乱に強い安定した高精度の測定をするためには、オブジェクトが存在しない場合のΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を一度だけ測定するのではなく、オブジェクトが存在する場合のΦｏｂｊｅｃｔ（ｋ）と同時に測定することが必要である。
【００６７】
図６は、一般環境でも一体型偏光干渉計の測定精度及び反復度を達成できるスナップショット分光偏光計を示す図である。本発明の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、オブジェクトが存在しない場合とオブジェクトが存在する場合を分離して測定するのではなく、モータによるチョッパーホイール（Chopper wheel）１９４の定速回転により、連続してΦｏｂｊｅｃｔ（ｋ）とΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定する。大略的にチョッパーホイール１９４が３０〜６０ＲＰＭ（Round Per Minute）の速度で回転しながら、同時にΦｏｂｊｅｃｔ（ｋ）とΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定してΔａ（ｋ）を得る。
【００６８】
この動作のために、図６に示されているように、一体型偏光干渉計で変調された干渉波動をビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）１９１で２つの経路に分離した後、一方は測定しようとする透過型オブジェクト１６０を位置させ、ミラー１９２で反射されるもう一方は、オブジェクトのない経路を作る。
【００６９】
オブジェクト１６０を透過した光は、ミラー１９５で反射された後、ＮＰＢＳ１９６で反射されてレンズ１９７を介して分光計に入射する。また、オブジェクト１６０を透過していない残りの光は、ＮＰＢＳ１９６を透過してレンズ１９７を介して分光計に入射する。
【００７０】
一方、図７のチョッパーホイール１９４の構造例から分かるように、分光器には、一方の経路の干渉波信号が入るだけで、モータ１９３によるチョッパーホイール１９４の１回転時にΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定できるようになる。例えば、１秒に１回転をすれば、毎秒周期的にオブジェクト１６０を透過していない光が分光計に入射されてΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定するので、温度変化のように徐々に変化する外乱に強くなる。
【００７１】
本発明の実施形態は、透過型オブジェクトの例であるが、垂直入射や特定の入射角を有する反射型オブジェクトにも同じ方法を適用することができる。
【００７２】
図８は、一般環境で高精度の一体型偏光干渉計の性能を達成できるスナップショット分光偏光計の他の構成例を示す。チョッパーホイールを用いて同時にΦｏｂｊｅｃｔ（ｋ）とΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定する代わりに、２つの分光器３１０、３２０を用いて同時に分光偏光信号を測定する方法である。
【００７３】
本発明の実施形態では、４５度の入射角を有する反射型オブジェクト２５５を想定しているが、透過型オブジェクトおよび垂直入射型オブジェクトにも同じ方法を適用することができる。
【００７４】
本発明の実施形態は、一体型偏光干渉計を経て出力された干渉波動を４５度の入射角で測定しようとする薄膜試料の前に、ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）２７５を挿入して２つの経路に分離させる。一方の経路は、オブジェクト２５５で反射されていない干渉波動を分光計（ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）１（３１０）を用いて得た後に、Φｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定する方式である。他方の経路は、オブジェクトで反射された干渉波動を分光計（ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）２（３２０）を用いて、Φｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定する方式である。
【００７５】
図９は、図８に示す構成により５００ｎｍの酸化シリコン薄膜のΔａ（ｋ）を測定した結果であり、点線で表示された商用製品の結果との整合性を示す。本実施形態では、可視光線領域の光学計を用いており、４４３〜７３０ｎｍの間の波長に関する部分だけを商用製品の結果と比較している。
【００７６】
前記の測定波長領域としての４４３〜７３０ｎｍの可視光線領域は例示に過ぎない。２００〜４００ｎｍの紫外線領域と、７００ｎｍ〜約２５ミクロン（ｍｉｃｒｏｎ）の近赤外線、赤外線領域の場合にも、本発明の技術思想を適用できることは勿論である。
【００７７】
また、以上では、本発明の好適な実施形態について図示及び説明したが、本発明は、上述した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって、様々な変形実施が可能であることは勿論であり、このような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。
【図１】
2019508688.tif 000009
【図２】
2019508688.tif 000010
【図３】
2019508688.tif 000011
【図４】
2019508688.tif 000012
【図５】
2019508688.tif 000013
【図６】
2019508688.tif 000014
【図７】
2019508688.tif 000015
【図８】
2019508688.tif 000016
【図９】
2019508688.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月25日(2018.10.25)
【手続補正１】
【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、分光偏光計及びそれに適用可能な偏光干渉計に関し、測定対象となるオブジェクトを透過／反射した光の分光偏光情報を示す分光ストークスベクトル（Spectral Stokes vector）を高速に測定する分光偏光計、及びそれに適用する偏光干渉計に関する。
【背景技術】
【０００２】
分光偏光計測技術は、様々な分野に適用可能な最も正確なソリューションの一つである。ＳＤ ＰＳ−ＯＣＴ（spectral domain polarization−sensitive optical coherence tomography）、リアルタイム高感度ＳＰＲ（surface−plasmon resonance）バイオセンシング、およびＣＤ（circular dichroism）測定などのような偏光計と干渉計を組み合わせようとする研究がいくつかあった。
【０００３】
従来の分光偏光計測システムは、分光ストークスベクトルを導き出すための分光楕円パラメータΨ（ｋ）及びΔ（ｋ）を抽出するために、機械的な回転器具や電気的な変調素子を利用しており、一般的に秒単位以上の測定時間がかかる問題を有している。この時間消耗的な測定方式の問題を解決するために、スナップショットに基づく干渉計分光偏光計測技術が提案された。しかし、既存のスナップショット技術は、干渉計の構成のためにビームスプリッタと偏光子、そしてミラーなどが一体化されておらず、互いに分離されている構造を採用する従来の干渉計の原理に基づいたものであるため、スナップショットの測定はできるが、外部振動などによる外乱に弱いという根本的な問題を有している。このため、機械的な回転偏光変調方式や電気的な変調方式に基づく従来の分光偏光計測技術が提供できる高精度の測定反復度及び安定度の性能を提供することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、前記問題点を解決するために案出されたものであり、本発明の目的は、外部振動等による外乱に非常に強い一体型偏光干渉計及びそれを適用したスナップショット分光偏光計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するための本発明の一実施形態に係る一体型偏光干渉計は、入射される複合波を分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーとを含む。
【０００６】
また、前記一体型偏光干渉計内における前記第１の偏光の光路長は、前記第２の偏光の光路長と差があってもよい。
【０００７】
また、前記偏光ビームスプリッタと前記第１のミラーとの間の間隔は、前記偏光ビームスプリッタと前記第２のミラーとの間の間隔と差があってもよい。
【０００８】
そして、前記第１の偏光の光路長と前記第２の偏光の光路長との差は、紫外線または可視光線領域に対して２０〜６０μｍであり、近赤外線または赤外線領域に対して６０〜５００μｍであってもよい。
【０００９】
また、前記第１の偏光はＰ−偏光であり、前記第２の偏光はＳ−偏光であってもよい。
【００１０】
一方、本発明の他の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、光源から照射される光を線形偏光させる第１の線形偏光子と、前記第１の線形偏光子から出射されてオブジェクトを透過した光を偏光変調する一体型偏光干渉計と、前記一体型偏光干渉計から出射される二つの波動を干渉させる第２の線形偏光子と、前記第２の線形偏光子から出射される光の分光偏光情報を測定する測定装置とを含み、前記一体型偏光干渉計は、入射される複合波を分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの第１面に直接またはスペーサを介して貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、前記偏光ビームスプリッタの第２面に直接またはスペーサを介して貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーとを含む。
【００１１】
そして、前記第１の線形偏光子と前記第２の線形偏光子は、４５°方向の線形偏光子であってもよい。
【００１２】
また、前記一体型偏光干渉計において、前記第１の偏光の光路長は、前記第２の偏光の光路長と差があってもよい。
【００１３】
そして、前記偏光ビームスプリッタと前記第１のミラーとの間の間隔は、前記偏光ビームスプリッタと前記第２のミラーとの間の間隔と差があってもよい。
【００１４】
一方、本発明の他の実施形態に係る一体型偏光干渉計は、入射される複合波を分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記ビームスプリッタを透過した光を偏光させる第１の偏光子と、前記第１の偏光子から出射される第１の偏光を前記ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、前記ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記ビームスプリッタで反射された光を偏光させる第２の偏光子と、前記第２の偏光子から出射される第２の偏光を前記ビームスプリッタに反射する第２のミラーとを含む。
【００１５】
一方、本発明の他の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、光源から照射される光を線形偏光させる線形偏光子と、前記線形偏光子から入射される偏光を変調する一体型偏光干渉計と、前記一体型偏光干渉計で変調された干渉波動を２つの経路に分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで分離された第１の光を周期的にオブジェクトに伝達し、前記ビームスプリッタで分離された第２の光を周期的にオブジェクトのない経路に伝達するチョッパーホイールと、前記第１の光と前記第２の光の分光偏光情報を測定する測定装置とを含み、前記一体型偏光干渉計は、前記線形偏光子から入射される偏光を分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーとを含む。
【００１６】
一方、本発明の他の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、光源から照射される光を線形偏光させる線形偏光子と、前記線形偏光子から入射される偏光を変調する一体型偏光干渉計と、前記一体型偏光干渉計で変調された干渉波動を分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタにより分離されてオブジェクトを透過または反射した第１の光の分光偏光情報を測定する第１の測定装置と、前記ビームスプリッタにより分離されてオブジェクトを透過または反射していない第２の光の分光偏光情報を測定する第２の測定装置とを含み、前記一体型偏光干渉計は、前記線形偏光子から入射される偏光を分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーとを含む。
【発明の効果】
【００１７】
以上で説明したように、本発明の実施形態によると、一体型偏光干渉計を用いて、外部振動などによる外乱に非常に強い分光偏光現象のスナップショット測定が可能となり、動的測定能力を有し、かつ測定の反復度及び精度を向上できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計を示す図である。
【図２】図２は、本発明の他の実施形態に係る一体型偏光干渉計を示す図である。
【図３】図３は、オブジェクトが存在しない場合における、単一分光センシングモジュールで測定される分光干渉データである。
【図４】図４は、オブジェクト位置に配置されたＱＷＰを１０°ずつ回転させながらΔａ（ｋ）を測定した結果を示すものである。
【図５】図５は、本発明のまた他の実施形態に係る一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計を示す図である。
【図６】図６は、本発明のまた他の実施形態に係る一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計を示す図である。
【図７】図７は、図６に示すチョッパーホイールの構造図である。
【図８】図８は、本発明のまた他の実施形態に係る一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計を示す図である。
【図９】図９は、図８に示す構成により５００ｎｍの酸化シリコン薄膜オブジェクトのΔａ（ｋ）を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では、図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係る一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計を示す図である。
【００２１】
本発明の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、スナップショット（snapshot）方式で、測定対象となるオブジェクト１６０の分光偏光情報を示す分光ストークスベクトル（Spectral Stokes vector）をリアルタイム／高速に測定するためのシステムである。
【００２２】
本発明の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、機械的な回転器具や電気的な変調素子を用いることなく、ただ一つの分光干渉データだけから、多波長の情報を有する分光ストークスベクトルをリアルタイムで測定することができる。
【００２３】
本発明の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、図１に示すように、光源１１０、光ファイバ１２０、コリメートレンズ１３０、ＬＰ（Linear Polarizer）１４０、アイリス１５０、ＢＳ（Beam Splitter）１７０、ＰＭＭ（Polarization Modulation Module）１８０、およびＬＰ（Linear Polarizer）１９０を含む。
【００２４】
光源１１０としては、白色光源（white light source）を用いており、たとえば１００Ｗタングステン−ハロゲンランプ（100W Tungsten−Halogen lamp）を使用できるが、他の種類の光源を使用することもできる。
【００２５】
光源１１０から照射された光は、光ファイバ１２０に伝達されてコリメートレンズ１３０で平行光に変換される。この平行光は、ＬＰ１４０で４５°方向に線形偏光される。アイリス１５０は、ＬＰ１４０を通過した線形偏光の大きさを調節する。
【００２６】
アイリス１５０によって適正サイズに調節された線形偏光は、測定対象となる、異方性を有する透過型オブジェクト１６０を通過した後、ＢＳ１７０を透過してＰＭＭ１８０に入射する。
【００２７】
ＰＭＭ１８０は、オブジェクト１６０を通過した波動を偏光変調する一体型偏光干渉計である。ＰＭＭ１８０は、図１に示すように、ＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter）１８１及びミラー（Mirror）１８３、１８５を含む。
【００２８】
ＰＢＳ１８１は、入射される複合波を分離して、Ｐ偏光を透過させてミラー１８３に入射させ、Ｓ偏光を反射してミラー１８５に入射させる。
【００２９】
ミラー１８３、１８５は、ＰＢＳ１８１に貼付／固定されている。具体的には、ミラー１８３は、ＰＢＳ１８１の一側面に貼り付けられ、ＰＢＳ１８１を透過したＰ偏光を反射し、ミラー１８５は、ＰＢＳ１８１の下面に貼り付けられ、ＰＢＳ１８１で反射されたＳ偏光を反射する。
【００３０】
分光偏光信号に高周波信号を生成するために、ＰＭＭ１８０内でＰＢＳ１８１を透過した後、ミラー１８３で反射されてＰＢＳ１８１を透過するＰ偏光の光路長と、ＰＢＳ１８１で反射された後、ミラー１８５で反射されてＰＢＳ１８１で反射されるＳ偏光の光路長との間で差異を発生させる必要がある。つまり、いずれか一方の光路長がいずれか他方の光路長よりも長いが、測定波長領域が紫外線または可視光線領域である場合は、２０〜６０μｍ長く、測定波長領域が近赤外線または赤外線領域である場合は、６０〜５００μｍ長い。
【００３１】
Ｐ偏光の光路長が長くてもよく、Ｓ偏光の光路長が長くてもよい。
【００３２】
光路長の差を発生させるために、ＰＢＳ１８１とミラー１８３との間の間隔と、ＰＢＳ１８１とミラー１８５との間の間隔は、差がある。つまり、ミラー１８３とミラー１８５のいずれか一方が、他方よりもＰＢＳ１８１からさらに離れているが、測定波長領域が紫外線または可視光線領域である場合は、２０〜６０μｍほど離れており、測定波長領域が近赤外線または赤外線領域である場合は、６０〜５００μｍほど離れている。
【００３３】
２０〜６０μｍまたは６０〜５００μｍの間隔差を発生させるために、ミラー１８３とミラー１８５との間に２０〜６０μｍ又は６０〜５００μｍの光路長の差を有するように二つのミラーを精密に整列するか、または経路差程度の厚さを有するスペーサを挿入することができる。
【００３４】
なお、ＰＭＭ１８０の構成を、ＰＢＳ１８１と２つのミラー１８３、１８５との組み合わせではなく、ＮＰＢＳ（Non−polarizing Beam Splitter）、２つの偏光子（Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）、二つのミラーの組み合わせにしてもよい。この組み合わせの構成を図２に示す。
【００３５】
図２では、図１に示すＰＢＳ１８１の１つの役割を、ＮＰＢＳ１８６によって分離された二つのビーム経路に一体型に貼り付けられた、互いに垂直偏光方向の二つのＬＰ（Linear Polarizer）１８７、１８８の組み合わせに置き換えた構造を示している。ＰＢＳは、約１／１０００の制限的な偏光消光比（extinction ratio）を有するため、正確な偏光測定性能に制限があり得る。このため、ＮＰＢＳと二つのＰｏｌａｒｉｚｅｒとの組み合わせによってＰＢＳの機能を代替すると、高い消光比を持たせることができる。
【００３６】
ミラー１８３、１８５は、ＬＰ１８７、１８８に貼付／固定され、光路長の差を発生させるために、ＬＰ（Ｐ−偏光方向）１８７とミラー１８３との間の間隔と、ＬＰ（Ｓ−偏光方向）１８８とミラー１８５との間の間隔に差があることは、図１に示すのと同様である。
【００３７】
図１に戻り説明を続ける。
【００３８】
ＰＭＭ１８０によって偏光変調された二つの波動は、ＢＳ１７０で反射された後、ＬＰ１９０で４５°の方向に線形偏光されることにより干渉が発生する。干渉波は、単一分光センシングモジュール（Single Spectrum Sensing Module）（図示せず）に入射する。単一分光センシングモジュールは、センサアレイタイプの分光器であってもよい。
【００３９】
本発明の実施形態に係るスナップショット分光偏光計に含まれたＬＰ１４０は、光干渉のコントラストを向上させるための要素である。
【００４０】
単一分光センシングモジュールは、スナップショット方式で透過型異方性素子の分光偏光情報を示す分光ストークスベクトルを測定する。
【００４１】
以下では、ＰＭＭ１８０で具現した一体型偏光干渉計での偏光変調によって発生する干渉現象を数式で詳細に説明する。
【００４２】
単一分光センシングモジュールによって測定された分光偏光情報は、次の数学式（１）で表すことができる。
【００４３】
【数１】
2019508688.tif 000018
【００４４】
ここで、ｋは波数（wavenumber）であって２π／λであり、Ｅp_４５°（ｋ）及びＥs_４５°（ｋ）は、次の数学式（２）で表されるＥｐ（ｋ）とＥｓ（ｋ）の複合波（complex wave）に対する４５°成分である。
【００４５】
【数２】
2019508688.tif 000019
【００４６】
ここで、Ｅｉｎ（ｋ）は、一体型偏光干渉計の入口での入力波動を示す。Ｅｐ（ｋ）は、ＰＢＳ１８１を透過してミラー１８３で反射されて進行するＰ偏光であり、Ｅｓ（ｋ）は、ＰＢＳ１８１とミラー１８５で反射されて進行するＳ偏光である。ｚｐ及びｚｓは、一体型偏光干渉計内におけるＰ−偏光及びＳ−偏光の光路長をそれぞれ示す。
【００４７】
一方、オブジェクト１６０が存在しない場合の分光干渉信号は、次の数学式（３）で表される。
【００４８】
【数３】
2019508688.tif 000020
【００４９】
ここで、ｚ０は、光路長の差であって、ｚ０＝|ｚｐ−zｓ|である。ｚｐとｚｓの間の光路長の差は、スナップショット技法を用いて分光偏光位相を得るために必要な高周波分光干渉を発生させる。分光偏光位相関数Φｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）は、分光ドメインに適用されるフーリエ変換法やダイレクト位相計算法を用いて導出できる。
【００５０】
オブジェクト１６０が存在する場合の分光干渉信号は、次の数学式（４）で表される。
【００５１】
【数４】
2019508688.tif 000021
【００５２】
透過性オブジェクト１６０が存在しない場合と存在する場合の各々において、一体型偏光干渉計の入口での入射波Ｅｉｎ（ｋ）は、次の数学式（５）で表される。
【００５３】
【数５】
2019508688.tif 000022
【００５４】
分光偏光位相関数Φｏｂｊｅｃｔ（ｋ）は、前述のフーリエ変換法などで導き出すことができる。オブジェクト１６０によって発生する分光偏光位相差Δａ（ｋ）は、次の数学式（６）のように、Φｏｂｊｅｃｔ（ｋ）からΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を減算して算出する。
【００５５】
【数６】
2019508688.tif 000023
【００５６】
図３は、オブジェクト１６０が存在しない場合における、単一分光センシングモジュールで測定される分光干渉データであり、図４は、オブジェクト１６０位置に配置されているＱＷＰ（Quarter Wave Plate）を１０°ずつ回転させながらΔａ（ｋ）を測定した結果である。
【００５７】
図４において、実線は、本発明の実施形態に係る手法で測定したものであり、点線は、常用的な機械的偏光素子方式のシステムで測定したものであるが、大きな差はないことが分かる。
【００５８】
図５は、本発明の他の実施形態に係る一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計を示す図である。
【００５９】
図５に示すスナップショット分光偏光計は、ナノパターン及びロールナノパターンなどのような反射型試料の分光偏光情報を測定するためのシステムである点で、透過型試料の分光偏光情報を測定するための図１に示すシステムとは構造的な差異がある。
【００６０】
図５に示す構成のうち、光源２１０、光ファイバ２２０、コリメートレンズ２３０、ＬＰ２４０、ＰＭＭ２７０、及びＬＰ２８０は、図１に示す光源１１０、光ファイバ１２０、コリメートレンズ１３０、ＬＰ１４０、ＰＭＭ１８０、及びＬＰ１９０と同等に具現してもよい。
【００６１】
レンズ２６１とＮＰＢＳ２６３、２６５は、ＬＰ２４０で線形偏光された光を測定対象となる反射型オブジェクト２５０に伝達し、反射型オブジェクト２５０から出射される複合波をＰＭＭ２７０に入射させ、ＰＭＭ２７０で偏光変調された二つの波動をＬＰ２８０に入射させるための構成である。
【００６２】
ＬＰ２８０に入射された二つの波動は、４５°方向に線形偏光されることで干渉され、干渉波はレンズ２９０を介して分光計３００に入射される。
【００６３】
以上、一体型偏光干渉計を用いたスナップショット分光偏光計について、好ましい実施形態により詳細に説明した。
【００６４】
図１において、オブジェクト１６０によって発生する分光偏光位相差Δａ（ｋ）は、数学式（６）のように、Φｏｂｊｅｃｔ（ｋ）からΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を減算して算出する。つまり、オブジェクトが存在しない場合の測定結果を利用して補償を行うことにより、測定しようとするオブジェクトの正確な分光偏光位相差であるΔａ（ｋ）を得ることができる。
【００６５】
しかし、オブジェクトが存在しない場合の分光偏光位相関数Φｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）は、大気の温度変化などの外乱により、微小ではあるが変化することがあるため、高精度の測定のためには恒温恒湿などの環境制御が必要である。
【００６６】
Φｏｂｊｅｃｔ（ｋ）は、外部の温度の変化に応じて変動することがあるので、恒温恒湿の制御システムのない一般的な環境条件で外乱に非常に強い安定した高精度の測定をするためには、オブジェクトが存在しない場合のΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を一度だけ測定するのではなく、オブジェクトが存在する場合のΦｏｂｊｅｃｔ（ｋ）と同時に測定することが必要である。
【００６７】
図６は、一般的な環境条件でも一体型偏光干渉計の測定精度及び反復度を達成できるスナップショット分光偏光計を示す図である。本発明の実施形態に係るスナップショット分光偏光計は、オブジェクトが存在しない場合とオブジェクトが存在する場合を分離して測定するのではなく、モータによるチョッパーホイール（Chopper wheel）１９４の定速回転により、連続してΦｏｂｊｅｃｔ（ｋ）とΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定する。大略的にチョッパーホイール１９４が３０〜６０ＲＰＭ（Round Per Minute）の速度で回転しながら、ほぼ同時にΦｏｂｊｅｃｔ（ｋ）とΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定してΔａ（ｋ）を得る。
【００６８】
この動作のために、図６に示されているように、一体型偏光干渉計で変調された干渉波動をビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）１９１で２つの経路に分離した後、一方は測定しようとする透過型オブジェクト１６０を位置させ、ミラー１９２で反射されるもう一方は、オブジェクトのない経路を作る。
【００６９】
オブジェクト１６０を透過した光は、ミラー１９５で反射された後、ＮＰＢＳ１９６で反射されてレンズ１９７を介して分光計に入射する。また、オブジェクト１６０を透過していない残りの光は、ＮＰＢＳ１９６を透過してレンズ１９７を介して分光計に入射する。
【００７０】
一方、図７のチョッパーホイール１９４の構造例から分かるように、分光器には、一方の経路の干渉波信号が入るだけで、モータ１９３によるチョッパーホイール１９４の１回転時にΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定できるようになる。例えば、１秒に１回転をすれば、毎秒周期的にオブジェクト１６０を透過していない光が分光計に入射されてΦｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定するので、温度変化のように徐々に変化する外部の外乱に非常に強くなる。
【００７１】
本発明の実施形態は、透過型オブジェクトの例であるが、垂直入射や特定の入射角を有する反射型オブジェクトにも同じ方法を適用することができる。
【００７２】
図８は、一般環境で高精度の一体型偏光干渉計の性能を達成できるスナップショット分光偏光計の他の構成例を示す。チョッパーホイール方式の代わりに、２つの分光器３１０、３２０に基づいて分光偏光変調信号を同時に測定する方法である。
【００７３】
本発明の実施形態では、４５度の入射角を有する反射型オブジェクト２５５を想定しているが、透過型オブジェクト、２つの分光器３１０、３２０に基づいた垂直入射反射型オブジェクトまたは特定の入射角の反射型オブジェクトにも同じ方法を適用することができる。
【００７４】
本発明の実施形態は、一体型偏光干渉計を経て出力された干渉波動を４５度の入射角で測定しようとする薄膜オブジェクトの前に、ビームスプリッタ（ＮＰＢＳ）２７５を挿入して２つの経路に分離させる。一方の経路は、オブジェクト２５５で反射されていない干渉波動を分光計（ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）１（３１０）を用いて得た後に、Φｎｏ_ｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定する方式である。他方の経路は、オブジェクトで反射された干渉波動を分光計（ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）２（３２０）を用いて、Φｏｂｊｅｃｔ（ｋ）を測定する方式である。
【００７５】
図９は、図８に示す構成により５００ｎｍの酸化シリコン薄膜のΔａ（ｋ）を測定した結果であり、測定した結果が点線で表示された常用の分光偏光計により測定した結果と合致することを示す。本実施形態では、可視光線領域の光学計を用いており、４４３〜７３０ｎｍの間の波長に関する部分だけを商用製品の結果と比較している。
【００７６】
前記の測定波長領域としての４４３〜７３０ｎｍの可視光線領域は例示に過ぎない。２００〜４００ｎｍの紫外線領域と、約７００ｎｍ〜２５ミクロン（ｍｉｃｒｏｎ）の近赤外線、赤外線領域の場合にも、本発明の技術思想を適用できることは勿論である。
【００７７】
また、以上では、本発明の好適な実施形態について図示及び説明したが、本発明は、上述した特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって、様々な変形実施が可能であることは勿論であり、このような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。
【手続補正２】
【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】
入射される複合波を分離する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、
前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーと、
を含むことを特徴とする一体型偏光干渉計。
【請求項２】
前記一体型偏光干渉計内において、前記第１の偏光の光路長は、前記第２の偏光の光路長と差があることを特徴とする請求項１に記載の一体型偏光干渉計。
【請求項３】
前記第１のミラーは、前記偏光ビームスプリッタに直接またはスペーサを介して貼り付けられ、
前記第２のミラーは、前記偏光ビームスプリッタに、スペーサを介して、または直接貼り付けられることを特徴とする請求項２に記載の一体型偏光干渉計。
【請求項４】
前記第１の偏光の前記光路長と前記第２の偏光の前記光路長との差は、
紫外線または可視光線領域に対して２０〜６０μｍであり、
近赤外線または赤外線領域に対して６０〜５００μｍであることを特徴とする請求項３に記載の一体型偏光干渉計。
【請求項５】
前記第１の偏光は、Ｐ−偏光であり、
前記第２の偏光は、Ｓ−偏光であることを特徴とする請求項４に記載の一体型偏光干渉計。
【請求項６】
光源から照射される光を線形偏光させる第１の線形偏光子と、
前記第１の線形偏光子から出射され、オブジェクトを透過または反射して生成された複合波を偏光変調する一体型偏光干渉計と、
前記一体型偏光干渉計から出射される二つの波動を干渉させる第２の線形偏光子と、
前記第２の線形偏光子から出射される光の分光偏光情報を測定する測定装置と、
を含み、
前記一体型偏光干渉計は、
入射される複合波を分離する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、
前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーと、
を含むことを特徴とするスナップショット分光偏光計。
【請求項７】
前記第１の線形偏光子と前記第２の線形偏光子は、同じ方向の線形偏光子であることを特徴とする請求項６に記載のスナップショット分光偏光計。
【請求項８】
前記一体型偏光干渉計において、前記第１の偏光の光路長は、前記第２の偏光の光路長と差があることを特徴とする請求項６に記載のスナップショット分光偏光計。
【請求項９】
前記測定装置の測定波長領域は、可視光線領域、紫外線領域、近赤外線領域、赤外線領域の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項６に記載のスナップショット分光偏光計。
【請求項１０】
入射される複合波を分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記ビームスプリッタを透過した光を偏光させる第１の偏光子と、
前記第１の偏光子から出射される第１の偏光を前記ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、
前記ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記ビームスプリッタで反射された光を偏光させる第２の偏光子と、
前記第２の偏光子から出射される第２の偏光を前記ビームスプリッタに反射する第２のミラーと、
を含むことを特徴とする一体型偏光干渉計。
【請求項１１】
光源から照射される光を線形偏光させる線形偏光子と、
前記線形偏光子から入射される偏光を変調する一体型偏光干渉計と、
前記一体型偏光干渉計で変調された干渉波動を２つの経路に分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分離された第１の光を周期的にオブジェクトに伝達し、前記ビームスプリッタで分離された第２の光を周期的にオブジェクトのない経路に伝達するチョッパーホイールと、
前記第１の光と前記第２の光の分光偏光情報を測定する測定装置と、
を含み、
前記一体型偏光干渉計は、
前記線形偏光子から入射される前記偏光を分離する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、
前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーと、
を含むことを特徴とするスナップショット分光偏光計。
【請求項１２】
前記測定装置の測定波長領域は、可視光線領域、紫外線領域、近赤外線領域、赤外線領域の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１１に記載のスナップショット分光偏光計。
【請求項１３】
光源から照射される光を線形偏光させる線形偏光子と、
前記線形偏光子から入射される偏光を変調する一体型偏光干渉計と、
前記一体型偏光干渉計で変調された干渉波動を分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより分離されてオブジェクトを透過または反射した第１の光の分光偏光情報を測定する第１の測定装置と、
前記ビームスプリッタにより分離されて前記オブジェクトを透過または反射していない第２の光の分光偏光情報を測定する第２の測定装置と、
を含み、
前記一体型偏光干渉計は、
前記線形偏光子から入射される前記偏光を分離する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの第１面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタを透過した第１の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第１のミラーと、
前記偏光ビームスプリッタの第２面に貼り付けられ、前記偏光ビームスプリッタで反射された第２の偏光を前記偏光ビームスプリッタに反射する第２のミラーと、
を含むことを特徴とするスナップショット分光偏光計。
【請求項１４】
前記第１の測定装置と前記第２の測定装置の測定波長領域は、可視光線領域、紫外線領域、近赤外線領域、赤外線領域の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１３に記載のスナップショット分光偏光計。
【国際調査報告】
2019508688.tif 000024
2019508688.tif 000025
2019508688.tif 000026
2019508688.tif 000027