(57)【要約】【課題】高精度かつ高強度の球面波を得ることが可能な光学素子、照明光学系及び測定装置を提供する。【解決手段】光を透過する基材１０と、基材１０の表面に形成された金属薄膜１１と、金属薄膜１１に形成されるとともに、基材１０の内部から基材１０の表面に向けて光を全反射条件で入射させたときに励起される表面プラズモンを球面波に変換して出射させる散乱部１２と、を有することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を透過する基材と、
前記基材の表面に形成された金属薄膜と、
前記金属薄膜に形成されるとともに、前記基材の内部から前記基材の表面に向けて前記光を全反射条件で入射させたときに励起される表面プラズモンを球面波に変換して出射させる散乱部と、
を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記散乱部が開口部であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記開口部の大きさが、前記光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記開口部の大きさが、前記光の波長の１００分の１以上２分の１以下であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記散乱部が前記金属薄膜の表面に突出した金属の凸部であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記凸部の大きさが、前記光の波長よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記凸部の大きさが、前記光の波長の１００分の１以上２分の１以下であることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記凸部が金、銀、アルミニウムのいずれかによって形成されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記金属薄膜の膜厚は、前記基材の内部から前記基材の表面に向けて前記光を全反射条件で入射させたときにエバネッセント波が前記金属薄膜の表面に滲みだすような厚さになっていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記金属薄膜の膜厚が、前記光の波長の５０分の１以上５分の１以下であることを特徴とする請求項９に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記基材が固体液浸レンズであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記金属薄膜が金、銀、アルミニウムのいずれかによって形成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記光学素子に設けられた前記基材の内部から前記基材の表面に向けて、少なくとも一部の光が前記表面への入射角が全反射条件を満たすように光を入射させる光入射手段と、
を備えることを特徴とする照明光学系。
【請求項１４】
前記光のうち前記基材の表面への入射角が全反射条件を満たさない光の少なくとも一部を遮蔽する構造を有することを特徴とする請求項１３に記載の照明光学系。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の照明光学系と、
前記照明光学系から出射した球面波を被検面に照射し、その反射光を検出する検出部と、
前記反射光に基づいて前記被検面の波面収差を算出する算出手段と、
を有することを特徴とする測定装置。
【請求項１６】
被検物に測定光を照射する照明光学系と、
前記被検物を経由した測定光を検出する検出部と、
前記検出部で検出された測定光に基づいて前記被検物の光学特性を算出する算出手段と、
を有し、
前記照明光学系が請求項１３または１４に記載の照明光学系であることを特徴とする測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、照明光学系及び測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子、撮像素子、液晶表示素子、又は薄膜磁気ヘッド等のマイクロデバイスの製造においては、例えば、露光光としてＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）を用いる縮小投影型逐次露光装置が使用されている。この露光装置は、高精度な投影光学系を備えているため、この投影光学系の精度を保証するに当たり、投影光学系を構成する投影レンズ全体及び個々のレンズの収差を正確に測定する測定装置が必要となる。
【０００３】
このような収差測定装置としては、例えば、波面測定干渉計がある。波面測定干渉計は、光の干渉を利用し、基準となる参照面からの反射光と被検面からの反射光とを重ね合わせ、その位相差から生じた干渉縞を観測して解析することにより、被検光学系において生じた波面収差を測定する。一方、シャックハルトマンセンサによる波面測定方法がある。この波面測定方法は、マイクロレンズアレイと二次元検出器とを用いて波面の位相分布を計測する。
【０００４】
ところで、このような波面収差測定においては、擬似点光源としてピンホールが用いられる。例えば、特許文献１では、擬似点光源としてピンホールを用い、微小なピンホールに光を入射させることにより得られる高精度な球面波を用いて波面形状を計測する波面収差測定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第０３／０２９７５１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ピンホールの径を小さくすることにより高精度な球面波が出射されるため、被検物や被検光学系の収差を精度よく測定できる。しかしながら、ピンホールの径を小さくしすぎると、測定に用いられる光がほとんど通過しなくなるため、球面波の強度が低下してしまう。このように、ピンホールの径の設定には制約があるため、高強度の球面波を得るには限界がある。その一方で、高速に高Ｓ／Ｎで波面測定を行うために高輝度点光源が要求されている。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、高精度かつ高強度の球面波を得ることが可能な光学素子、照明光学系及び測定装置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】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明の光学素子は、光を透過する基材と、前記基材の表面に形成された金属薄膜と、前記金属薄膜に形成されるとともに、前記基材の内部から前記基材の表面に向けて前記光を全反射条件で入射させたときに励起される表面プラズモンを球面波に変換して出射させる散乱部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の照明光学系は、前述した本発明の光学素子と、前記光学素子に設けられた前記基材の内部から前記基材の表面に向けて、少なくとも一部の光が前記表面への入射角が全反射条件を満たすように光を入射させる光入射手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の測定装置は、前述した照明光学系と、前記照明光学系から出射した球面波を被検面に照射し、その反射光を検出する検出部と、前記反射光に基づいて前記被検面の波面収差を算出する算出手段と、を有することを特徴とする。
また、本発明の測定装置は、被検物に測定光を照射するための前述した照明光学系と、前記被検物を経由した測定光を検出する検出部と、前記検出部で検出された測定光に基づいて前記被検物の光学特性を算出する算出手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属薄膜に形成された散乱部によって、基材の内部から基材の表面に向けて光を全反射条件で入射させたときに励起される表面プラズモンが球面波に変換されるため、高精度かつ高強度の球面波が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る測定装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る照明光学系の概略構成を示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る光学素子の表面状態を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る照明光学系の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る光学素子の表面状態を示す図である。
【図６】測定装置の第１変形例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。
【００１４】
なお、以下の説明においては、図中にＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。ＸＹＺ直交座標系は、Ｙ軸及びＺ軸が紙面に対して平行となるように設定され、Ｘ軸が紙面に対して直交する方向に設定されている。図中のＸＹＺ座標系は、実際にはＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸が鉛直上方向に設定される。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る測定装置１００の概略構成を示す模式図である。本実施形態の測定装置１００は、波面収差を測定するための装置（波面収差測定装置）である。本実施形態では、一例としてフィゾー干渉計を挙げて説明する。
【００１６】
図１に示すように、測定装置１００は、擬似点光源として光学素子（図２参照）を有する照明光学系５０と、照明光学系５０から出射した球面波を被検面１１０ａに照射し、その反射光を検出する検出部１２０と、前記反射光に基づいて被検面１１０ａの波面収差を算出する算出手段１３０と、を有して構成されている。
【００１７】
検出部１２０は、ビームスプリッター１０１と、コリメーターレンズ１０２と、基準板１０３と、リレーレンズ１０４と、撮像素子１０５と、を有して構成されている。また、基準板１０３から光が出射する側（＋Ｙ方向側）には、波面収差を測定する対象となる被検面１１０ａを有するサンプル１１０が配置されている。なお、照明光学系５０からは球面波が発生するようになっている。また、この球面波が発生するしくみについては後述する。
【００１８】
ビームスプリッター１０１は、照明光学系５０から発した＋Ｙ方向に進む球面波を透過させるとともに、コリメーターレンズ１０２を透過して参照面１０３ａあるいは被検面１１０ａで反射した−Ｙ方向に進む光を−Ｚ方向に反射する。照明光学系５０から発した球面波は、ビームスプリッター１０１、コリメーターレンズ１０２を透過後に平行光となり、基準板１０３と呼ばれる高精度に研磨された平面ガラス板に到達する。基準板１０３に到達した光のうち一部の光は参照面１０３ａで反射し、残りの光は基準板１０３を透過後サンプル１１０の被検面１１０ａに到達して反射する。参照面１０３ａで反射した光は参照光として用いられ、参照面１０３ａを透過した光は測定光として用いられる。つまり、参照面１０３ａが光の分割手段（振幅分割）であり、重ね合わせ手段となっている。参照面１０３ａは非常に高精度に研磨されており、その面精度は、例えば光の波長の２０分の１以下（３０ｎｍ以下）の凹凸しかないものとなっている。
【００１９】
参照面１０３ａからの反射光と被検面１１０ａからの反射光は元の光路を逆戻りし、干渉してビームスプリッター１０１によりリレーレンズ１０４を介して撮像素子１０５へと導かれ、干渉縞画像が得られる。この干渉縞画像から、波面収差（被検面１１０ａの形状）が計算される。
【００２０】
リレーレンズ１０４は、ビームスプリッター１０１で反射された光（参照光と測定光との干渉光）をリレーするレンズである。測定装置１００に配置されたコリメーターレンズ１０２、基準板１０３、及びリレーレンズ１０４は、合成石英ガラスまたは蛍石（フッ化カルシウム）等の硝材を用いて形成されている。
【００２１】
撮像素子１０５は、干渉光を検出するものであり、例えば二次元ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）等の光電変換素子を用いることができる。撮像素子１０５で検出された干渉縞等の検出データは、算出手段１３０に出力される。
【００２２】
算出手段１３０は、検出部１２０から出力された検出結果（干渉縞等の検出データ）を不図示のモニターに表示し、または検出結果を解析して被検面１１０ａにおいて生ずる波面収差を数値的に求めて、得られた数値をモニターに表示する。
【００２３】
フィゾー干渉計では、参照面１０３ａと被検面１１０ａとの間には空気間隔があるだけで、参照面１０３ａよりも照明光学系５０側の光路（−Ｙ方向側の光路）は共通であり、参照面１０３ａと被検面１１０ａの差が干渉縞となって捉えられる。つまり、参照面１０３ａは高精度な平面であるため、参照面１０３ａと被検面１１０ａの差は事実上被検面１１０ａの形状となる。なお、参照面１０３ａからの反射光と被検面１１０ａからの反射光には、光の波長に比べて大きな光路差があるため、可干渉性に優れたレーザー光を使用することが必要となる。
【００２４】
図２は、本発明の第１実施形態に係る照明光学系５０の概略構成を示す模式図である。図２に示すように、照明光学系５０は、光学素子１と、光入射手段２０と、遮光部３０と、を有して構成されている。なお、図２において符号Θ１は、基材１０の表面（金属薄膜１１が形成された側の面）に対する光の入射角である。表面プラズモンは、入射光の波長と基材１０及び金属薄膜１１のそれぞれの誘電率とによって一意に定まる特定の光線入射角において励起される。したがって、図２におけるΘ１は、表面プラズモンを励起可能な角度に設定されている。
【００２５】
光学素子１は、光を透過する基材１０と、基材１０の表面に形成された金属薄膜１１と、金属薄膜１１に形成されるとともに基材１０の内部から基材１０の表面に向けて光を全反射条件で入射させたときに励起される表面プラズモンを球面波に変換して出射させる散乱部（開口部１２）と、を有している。
【００２６】
本実施形態では、基材１０として、固体液浸レンズ（ソリッドイマージョンレンズ）を用いている。この固体液浸レンズは、半球状のレンズであり、例えば、高屈折率ガラスや人工ダイヤモンドなどの高屈折率材料によって形成されている。このため、固体液浸レンズに入射する光を金属薄膜１１に形成された散乱部１２の近傍に集光させることができる。
【００２７】
また、光学素子１は、光が微小なピンホールを通過して球面波となる構成とはなっていない。このため、入射光のうち測定に用いられる光がピンホールを通過せず無駄になってしまうことがなく、入射光をすべて有効に活用することができる。
【００２８】
金属薄膜１１は、固体液浸レンズの平面部に形成されている。金属薄膜１１の膜厚は、基材１０の内部から基材１０の表面（固体液浸レンズの平面部）に向けて光を全反射条件で入射させたときにエバネッセント波が金属薄膜１１の表面に滲みだすような厚さになっている。具体的には、金属薄膜１１の膜厚は、入射する光の波長の５０分の１以上５分の１以下となっている。本実施形態では、金属薄膜１１の膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度になっている。
【００２９】
これにより、基材１０の内部から基材１０の表面に向けて光を全反射条件で入射させたときに金属薄膜１１の表面にエバネッセント波が滲みだすようになる。このため、この滲みだしたエバネッセント波の位相速度を表面プラズモンの位相速度に一致させることができ、表面プラズモンを共鳴的に励起することができる。一方、金属薄膜１１の膜厚が入射する光の波長の５０分の１よりも小さいと、膜厚が薄すぎて金属薄膜１１としての体を保つことが困難となり表面プラズモンを励起できないおそれがある。また、金属薄膜１１の膜厚が入射する光の波長の５分の１よりも大きいと、膜厚が厚すぎて基材１０の内部から基材１０の表面に向けて光を全反射条件で入射させたときに金属薄膜１１の表面にエバネッセント波が滲みださなくなり表面プラズモンを励起できないおそれがある。
【００３０】
また、金属薄膜１１は、金、銀、アルミニウムのいずれかによって形成されている。これらの金属はプラズモンを発現させる特性を有しているので、金属薄膜１１の表面に表面プラズモンが励起されやすくなる。
【００３１】
散乱部は、金属薄膜１１表面における不連続部であり、金属薄膜１１の中央部に形成された開口部１２である。この開口部１２の大きさは、入射する光の波長よりも小さくなっている。具体的には、開口部１２の大きさは、入射する光の波長の１００分の１以上２分の１以下となっている。本実施形態では、開口部１２の大きさが１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度になっている。ここで、開口部１２の大きさとは、平面視において開口部１２に線を引いたとき最も長く引ける線の距離である。例えば、開口部１２が平面視円形のときは円の直径が開口部１２の大きさとなり、開口部１２が平面視矩形のときは矩形の対角線が開口部１２の大きさとなる。
【００３２】
これにより、開口部１２によって表面プラズモンが光に変換されやすくなる。このため、その後、変換された光が干渉し合って高精度な球面波が容易に生成される。一方、開口部１２の大きさが入射する光の波長の１００分の１よりも小さいと、開口部１２が小さすぎて開口部１２が無い状態と等価となり表面プラズモンが光に変換されにくくなるおそれがある。また、開口部１２の大きさが入射する光の波長の２分の１よりも大きいと、開口部１２が大きすぎて表面プラズモンが光に変換されにくくなるおそれがある。
【００３３】
光入射手段２０は、円錐レンズ（アキシコンレンズ）２１と、球面レンズ２２と、対物レンズ２３と、を有して構成されている。光入射手段２０は、光学素子１に設けられた基材１０の内部から基材１０の表面に向けて、少なくとも一部の光が基材１０の表面への入射角Θ１が全反射条件を満たすように光を入射させるものである。光入射手段２０を構成する円錐レンズ２１、球面レンズ２２、及び対物レンズ２３は、例えば合成石英ガラスまたは蛍石（フッ化カルシウム）等の硝材を用いて形成されている。
【００３４】
円錐レンズ２１は、不図示の光源から射出されるレーザー光線の焦点を合わせるとともに、球面レンズ２２との組み合わせによりリング状の光線を形成する。なお、光源としては、例えばＡｒＦエキシマレーザー光源（波長１９３ｎｍ）を用いることができる。
【００３５】
遮光部３０は、球面レンズ２２と対物レンズ２３との間の光路上に配置されている。この遮光部３０は、球面レンズ２２を通過した光のうち基材１０の表面への入射角が全反射条件を満たさない光の少なくとも一部を遮蔽する構造を有する。例えば、遮光部３０は、クロム等によって輪帯形状の遮光帯を同心円状に形成したものである。遮光する範囲は、これにより遮光される光の基材１０の表面に入射する角度が全反射臨界角よりも小さい範囲となるように決定される。ここで、全反射臨界角は基材１０の材質によって異なるが、例えば基材１０の形成材料がガラスのときの全反射臨界角は４２〜４３°程度である。
【００３６】
これにより、基材１０の表面に照射される光は、全反射条件を満たすもの（全反射臨界角よりも大きな入射角をもつもの）が主になる。このような光は、基材１０の表面で全反射をおこし、金属薄膜１１の表面にエバネッセント波を発生させる。
【００３７】
図３は、本発明の第１実施形態に係る光学素子１の表面状態を示す図である。図３に示すように、金属薄膜１１に形成された開口部１２によって、基材１０の内部から基材１０の表面に向けて光を全反射条件で入射させたときに励起される表面プラズモンが球面波に変換される。具体的には、光入射手段２０により所定の波長の光を基材１０の内部から基材１０の表面に向けて全反射条件で入射させる。本実施形態では、遮光部３０によって基材１０の表面に照射される光は、全反射条件を満たすもの（全反射臨界角よりも大きな入射角をもつもの）が主になっている。
【００３８】
また、基材１０の内部から基材１０の表面に向けて入射する光は、開口部１２の近傍に入射するように設定されている。この入射光の入射位置は、例えば上述した光入射手段２０を構成する各種レンズの配置を適宜変更することにより設定可能である。本実施形態では、入射光束の幅は、基材１０の表面において、開口部１２を中心として直径５μｍ程度の範囲に集光されるように設定されている。このように開口部１２に近接した金属薄膜１１表面における連続部（金属薄膜１１表面における不連続部（開口部１２）を除いた領域）に光を選択的に入射させることができる。つまり、エバネッセント波が滲みだす厚さに形成された金属薄膜１１のうち開口部１２に近接した部分に光を選択的に入射させることができる。このため、金属薄膜１１に入射する光のエネルギーを表面プラズモンの伝搬長以内の領域に集中させることができ、開口部１２の近傍に表面プラズモンを励起するためのエネルギーとして、有効に利用することができる。
【００３９】
また、金属薄膜１１の外側の空気中に電磁波の浸透が発生する（これをエバネッセント場という）。これにともなって、金属薄膜１１の表面に滲みだした境界面に沿って伝播する波（以下、エバネッセント波という）が発生する。金属薄膜１１表面では、表面での境界条件を満たす表面電荷の集団振動が存在する（表面に局在化したプラズモンモード、以下、表面プラズモンという）。つまり、エバネッセント波を用いると、この位相速度を表面プラズモンの位相速度に一致させることができ、表面プラズモンを共鳴的に励起することができる。
【００４０】
また、表面プラズモンの電界分布についてみると、エバネッセント波も表面プラズモンの電界と一致している必要がある。それは表面プラズモンの電界成分のある面を入射面とし、電界成分がその入射面に平行な入射光で実現できる。このような光はＰ偏光と呼ばれる直線偏光であり、表面プラズモンを励起するためにはＰ偏光を基材１０の表面に入射させる必要がある。一方、Ｐ偏光に垂直な直線偏光はＳ偏光と呼ばれるが、このＳ偏光では表面プラズモンを励起することはできない。
【００４１】
また、金属薄膜１１の表面には、開口部１２の近傍に所定の波長のＰ偏光を入射させると生じる正電荷と負電荷との振動に伴って電磁場の振動が誘起される。ここで、正電荷と負電荷はＰ偏光の波としての性質及び電磁場の振動モード等の要素によって、時間的な変化に応じてそれらの配置が切り替わるようになっている。例えば、開口部１２の一端に生じる正電荷が経時的に負電荷に切り替わるとともに、開口部１２の他端に生じる負電荷が経時的に正電荷に切り替わるようになっている。そして、この電磁場の振動は、電荷の振動に影響するため、両者の振動が結合した系である表面プラズモンが励起されることになる。この表面プラズモンの励起エネルギーは、開口部１２近傍で例えばアンテナのように作用し、電磁波として空間に放射される。
【００４２】
このようにして、表面プラズモンが励起されると、入射光のエネルギーは表面プラズモンの励起によって奪われ、その後、開口部１２で表面プラズモンが球面波に変換される。
【００４３】
本実施形態に係る光学素子１、照明光学系５０、及び測定装置１００によれば、金属薄膜１１に形成された開口部１２によって、基材１０の内部から基材１１の表面に向けて光を全反射条件で入射させたときに励起される表面プラズモンが球面波に変換されるため、高精度かつ高強度の球面波が得られる。具体的には、基材１０の内部から基材１０の表面に向けて光を全反射条件で入射させると、金属薄膜１１の内部にエバネッセント場が発生する。これにともなって、金属薄膜１１の表面に滲みだした境界面に沿ってエバネッセント波が発生する。金属薄膜１１表面では、表面での境界条件を満たす表面電荷の集団振動である表面プラズモンが存在する。つまり、エバネッセント波を用いると、この位相速度を表面プラズモンの位相速度に一致させることができ、表面プラズモンを共鳴的に励起することができる。このようにして、表面プラズモンが励起されると、入射光のエネルギーは表面プラズモンの励起によって奪われ、その後、開口部１２で球面波が生成される。また、光が微小なピンホールを通過して球面波となる構成とはなっていない。つまり、入射光のうち測定に用いられる光がピンホールを通過せず、無駄になってしまうことがない。したがって、高強度の球面波を得ることが可能な光学素子１、照明光学系５０、及び測定装置１００が得られる。
【００４４】
また、この構成によれば、散乱部が開口部１２であり、この開口部１２の大きさが入射する光の波長よりも小さく、具体的には光の波長の１００分の１以上２分の１以下になっているので、開口部１２によって高精度な球面波が容易に生成される。一方、開口部１２の大きさが入射する光の波長の１００分の１よりも小さいと、開口部１２が小さすぎて開口部１２が無い状態と等価となり球面波が生成されにくくなるおそれがある。また、開口部１２の大きさが入射する光の波長の２分の１よりも大きいと、開口部１２が大きすぎて球面波が生成されにくくなるおそれがある。
【００４５】
また、この構成によれば、金属薄膜１１の膜厚は基材１１の内部から基材１０の表面に向けて光を全反射条件で入射させたときにエバネッセント波が金属薄膜１１の表面に滲みだすような厚さになっており、具体的には光の波長の５０分の１以上５分の１以下になっている。このため、基材１０の内部から基材１０の表面に向けて光を全反射条件で入射させたときに金属薄膜１１の表面にエバネッセント波が滲みだすので、この滲みだしたエバネッセント波の位相速度を表面プラズモンの位相速度に一致させることができ、表面プラズモンを共鳴的に励起することができる。一方、金属薄膜１１の膜厚が入射する光の波長の５０分の１よりも小さいと、膜厚が薄すぎて金属薄膜１１としての体を保つことが困難となり表面プラズモンを励起できないおそれがある。また、金属薄膜１１の膜厚が入射する光の波長の５分の１よりも大きいと、膜厚が厚すぎて基材１０の内部から基材１０の表面に向けて光を全反射条件で入射させたときに金属薄膜の表面にエバネッセント波が滲みださなくなり表面プラズモンを励起できないおそれがある。
【００４６】
また、この構成によれば、基材１０が固体液浸レンズであるため、入射する光を金属薄膜１１に形成された開口部１２近傍に集光させることができる。つまり、集光した光のエネルギーを表面プラズモンの励起に活用することができる。したがって、高精度かつ高強度の球面波を確実に得ることが可能となる。
【００４７】
また、この構成によれば、金属薄膜１１がプラズモンを発現させる特性を有する金、銀、アルミニウムのいずれかによって形成されているので、表面プラズモンが励起されやすくなる。したがって、高精度かつ高強度の球面波を容易に得ることが可能となる。
【００４８】
本実施形態に係る照明光学系５０によれば、遮光部３０を有するため、基材１０の表面に照射される光は、全反射条件を満たすものが主になる。このような光は、基材１０の表面で全反射をおこし、金属薄膜１１の表面にエバネッセント波を発生させる。したがって、高精度かつ高強度の球面波を確実に得ることが可能となる。
【００４９】
なお、本実施形態では、遮光部３０が球面レンズ２２と対物レンズ２３との間の光路上に配置されているが、これに限らない。例えば、遮光部が固体液浸レンズの球面部の中央部分にクロムを蒸着することで配置されていてもよい。すなわち、遮光部は球面レンズを通過した光のうち基材の表面への入射角が全反射条件を満たさない光の少なくとも一部を遮蔽する構造を有していればよい。
【００５０】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る照明光学系６０の概略構成を示す模式図である。図４に示すように、照明光学系６０は、光学素子２と、光入射手段２０と、遮光部３０と、を有して構成されている。本実施形態の照明光学系６０は、光学素子２の散乱部が凸部１３である点で第１実施形態の照明光学系５０と異なる。その他の点は第１実施形態の照明光学系５０と同様であるので、その詳細な説明を省略する。なお、図４において符号Θ２は、基材１０の表面に対する光の入射角である。
【００５１】
光学素子２は、光を透過する基材１０と、基材１０の表面に形成された金属薄膜１１と、金属薄膜１１に形成されるとともに基材１０の内部から基材１０の表面に向けて光を全反射条件で入射させたときに励起される表面プラズモンを球面波に変換して出射させる散乱部（凸部１３）と、を有している。
【００５２】
散乱部は、金属薄膜１１表面における不連続部であり、金属薄膜１１の中央部に形成されるとともに金属薄膜１１の表面に突出した金属の凸部１３である。この凸部１３の大きさは、入射する光の波長よりも小さくなっている。具体的には、凸部１３の大きさは、入射する光の波長の１００分の１以上２分の１以下となっている。本実施形態では、凸部１３の大きさが３０ｎｍ〜５００ｎｍ程度になっている。ここで、凸部１３の大きさとは、平面視において凸部１３形成領域に線を引いたとき最も長く引ける線の距離、凸部１３の高さ（金属薄膜表面と凸部１３先端の間の距離）、のうちいずれか長いほうの距離である。例えば、凸部１３が側面視半球形状のときは半球の直径が凸部１３の大きさとなり、凸部１３が側面視矩形のときは矩形の長手が凸部１３の大きさとなる。
【００５３】
これにより、凸部１３によって高精度な球面波が容易に生成される。一方、凸部１３の大きさが入射する光の波長の１００分の１よりも小さいと、凸部１３が小さすぎて凸部１３が無い状態と等価となり球面波が生成されにくくなるおそれがある。また、凸部１３の大きさが入射する光の波長の２分の１よりも大きいと、凸部１３が大きすぎて球面波が生成されにくくなるおそれがある。
【００５４】
また、凸部１３は、金、銀、アルミニウムのいずれかによって形成されている。これらの金属はプラズモンを発現させる特性を有しているので、凸部１３の表面に表面プラズモンが励起されやすくなる。
【００５５】
図５は、本発明の第２実施形態に係る光学素子２の表面状態を示す図である。図５に示すように、金属薄膜１１に形成された凸部１３によって、基材１０の内部から基材１０の表面に向けて光を全反射条件で入射させたときに励起される表面プラズモンが球面波に変換される。具体的には、光入射手段２０により所定の波長の光を基材１０の内部から基材１０の表面に向けて全反射条件で入射させる。本実施形態では、遮光部３０によって基材１０の表面に照射される光は、全反射条件を満たすもの（全反射臨界角よりも大きな入射角をもつもの）が主になっている。
【００５６】
また、基材１０の内部から基材１０の表面に向けて入射する光は、凸部１３の近傍に入射するように設定されている。この入射光の入射位置は、例えば上述した光入射手段２０を構成する各種レンズの配置を適宜変更することにより設定可能である。本実施形態では、入射光束の幅は、基材１０の表面において、凸部１３を中心として直径５μｍ程度の範囲に集光されるように設定されている。このように凸部１３に近接した金属薄膜１１表面における連続部（金属薄膜１１表面における不連続部（凸部１３）を除いた領域）に光を選択的に入射させることができる。つまり、エバネッセント波が滲みだす厚さに形成された金属薄膜１１のうち凸部１３に近接した部分に光を選択的に入射させることができる。このため、金属薄膜１１に入射する光のエネルギーを表面プラズモンの伝搬長以内の領域に集中させることができ、凸部１３の近傍に表面プラズモンを励起するためのエネルギーとして、有効に利用することができる。
【００５７】
また、金属薄膜１１の表面に滲みだした境界面に沿って伝播するエバネッセント波が発生する。金属薄膜１１表面では、表面での境界条件を満たす表面電荷の集団振動である表面プラズモンが存在する。つまり、エバネッセント波を用いると、この位相速度を表面プラズモンの位相速度に一致させることができ、表面プラズモンを共鳴的に励起することができる。
【００５８】
金属薄膜１１の表面には、凸部１３の近傍に所定の波長のＰ偏光を入射させると生じる正電荷と負電荷との振動に伴って電磁場の振動が誘起される。ここで、正電荷と負電荷はＰ偏光の波としての性質及び電磁場の振動モード等の要素によって、時間的な変化に応じてそれらの配置が切り替わるようになっている。例えば、凸部１３の一端に生じる正電荷が経時的に負電荷に切り替わるとともに、凸部１３の他端に生じる負電荷が経時的に正電荷に切り替わるようになっている。そして、この電磁場の振動は、電荷の振動に影響するため、両者の振動が結合した系である表面プラズモンが励起されることになる。この表面プラズモンの励起エネルギーは、凸部１３近傍で例えばアンテナのように作用し、電波として空間に放射される。
【００５９】
このようにして、表面プラズモンが励起されると、入射光のエネルギーは表面プラズモンの励起によって奪われ、その後、凸部１３で球面波が生成される。
【００６０】
本実施形態によれば、散乱部が凸部１３であり、この凸部１３の大きさが入射する光の波長よりも小さく、具体的には光の波長の１００分の１以上２分の１以下になっているので、凸部１３によって高精度な球面波が容易に生成される。一方、凸部１３の大きさが入射する光の波長の１００分の１よりも小さいと、凸部１３が小さすぎて凸部１３が無い状態と等価となり球面波が生成されにくくなるおそれがある。また、凸部１３の大きさが入射する光の波長の２分の１よりも大きいと、凸部１３が大きすぎて球面波が生成されにくくなるおそれがある。
【００６１】
また、この構成によれば、凸部１３がプラズモンを発現させる特性を有する金、銀、アルミニウムのいずれかによって形成されているので、表面プラズモンが励起されやすくなる。したがって、高精度かつ高強度の球面波を容易に得ることが可能となる。
【００６２】
（変形例１）
図６は、第１変形例の測定装置２００の概略構成を示す模式図である。本変形例の測定装置２００は、波面収差を測定するための装置（波面収差測定装置）である。本変形例では、一例としてマイケルソン干渉計を挙げて説明する。
【００６３】
図６に示すように、測定装置２００は、擬似点光源として光学素子を有する照明光学系５０と、照明光学系５０から出射した球面波を被検面２１０ａに照射し、その反射光を検出する検出部２２０と、前記反射光に基づいて被検面２１０ａの波面収差を算出する算出手段２３０と、を有して構成されている。
【００６４】
検出部２２０は、コリメーターレンズ２０１と、ハーフミラー２０２と、補正板２０３と、参照ミラー２０４と、集光レンズ２０５と、リレーレンズ２０６と、撮像素子２０７と、を有して構成されている。また、ハーフミラー２０２から光が出射する＋Ｙ方向側には、波面収差を測定する対象となる被検面２１０ａを有するサンプル２１０が配置されている。
【００６５】
照明光学系５０から発した＋Ｙ方向に進む球面波はコリメーターレンズ２０１により平行光となり、ハーフミラー２０２により２つの光路に分割される。２つに分かれた光のうち＋Ｚ方向に進む光は、補正板２０３を透過後に高精度に研磨された平面を有する参照ミラー２０４の参照面２０４ａに到達して反射する。一方、２つに分かれた光のうち＋Ｙ方向に進む光は、サンプル２１０の被検面２１０ａに到達して反射する。これらの光は元の光路を逆戻りしてハーフミラー２０２により重ね合わせられ、集光レンズ２０５、リレーレンズ２０６を経由して撮像素子２０７へと導かれ、干渉縞画像が得られる。この干渉縞画像から、波面収差（被検面１１０ａの形状）が計算される。
【００６６】
測定装置２００に配置されたコリメーターレンズ２０１、補正板２０３、集光レンズ２０５、及びリレーレンズ２０６は、合成石英ガラスまたは蛍石（フッ化カルシウム）等の硝材を用いて形成されている。
【００６７】
撮像素子２０７は、干渉光を検出するものであり、ＴＶカメラを用いることができる。撮像素子２０７で検出された干渉縞等の検出データは、算出手段２３０に出力される。
【００６８】
算出手段２３０は、検出部２２０から出力された検出結果（干渉縞等の検出データ）を不図示のモニターに表示し、または検出結果を解析して被検面２１０ａにおいて生ずる波面収差を数値的に求めて、得られた数値をモニターに表示する。
【００６９】
マイケルソン干渉計では、２つの光路長を波長オーダーで一致させることができるので、必ずしもレーザー光を使用する必要はなく、白色光や低コヒーレンス光を光源として用いることができる。ただし、白色光や低コヒーレンス光を用いる場合には、２つの光路長を正確に一致させる必要がある。この場合、レンズ面等からの反射光があってもノイズとならず、表面形状を正確に測定することができる。
【００７０】
なお、上記実施形態では、光源がＡｒＦエキシマレーザー光源の場合を例に挙げて説明したが、これに限らない。例えば、光源としては、ｇ線（波長４３６ｎｍ）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）を射出する超高圧水銀ランプ、またはＫｒＦエキシマレーザー（波長２４８ｎｍ）、Ｆ２レーザー（波長１５７ｎｍ）、Ｋｒ２レーザー（波長１４６ｎｍ）、ＹＡＧレーザーの高周波発生装置、若しくは半導体レーザーの高周波発生装置を用いることができる。
【００７１】
さらに、光源としてＤＦＢ半導体レーザーまたはファイバーレーザーから発振される赤外域、または可視域の単一波長レーザー光を、例えばエルビウム（またはエルビウムとイットリビウムの両方）がドープされたファイバーアンプで増幅し、非線形光学結晶を用いて紫外光に波長変換した高調波を用いてもよい。例えば、単一波長レーザーの発振波長を１．５１〜１．５９μｍの範囲内とすると、発生波長が１８９〜１９９ｎｍの範囲内である８倍高調波、または発生波長が１５１〜１５９ｎｍの範囲内である１０倍高調波が出力される。
【００７２】
特に、発振波長を１．５４４〜１．５５３μｍの範囲内とすると、発生波長が１９３〜１９４ｎｍの範囲内の８倍高調波、すなわちＡｒＦエキシマレーザー光とほぼ同一波長となる紫外光が得られ、発振波長を１．５７〜１．５８μｍの範囲内とすると、発生波長が１５７〜１５８ｎｍの範囲内の１０倍高調波、すなわちＦ２レーザー光とほぼ同一波長となる紫外光が得られる。また、発振波長を１．０３〜１．１２μｍの範囲内とすると、発生波長が１４７〜１６０ｎｍの範囲内である７倍高調波が出力され、特に発振波長を１．０９９〜１．１０６μｍの範囲内とすると、発生波長が１５７〜１５８μｍの範囲内の７倍高調波、すなわちＦ２レーザー光とほぼ同一波長となる紫外光が得られる。この場合、単一波長発振レーザーとしては例えばイットリビウム・ドープ・ファイバーレーザーを用いることができる。
【００７３】
また、上記実施形態では、測定装置に配置されたコリメーターレンズ、基準板、及びリレーレンズ、並びに光入射手段を構成する円錐レンズ、球面レンズ、及び対物レンズ等の各種レンズは、合成石英ガラスまたは蛍石（フッ化カルシウム）等の硝材を用いる場合を例に挙げて説明したが、これに限らない。例えば、これら各種レンズは、光源から射出される光の波長に応じて、蛍石（フッ化カルシウム：ＣａＦ２）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化バリウム（ＢａＦ２）、フッ化ストロンチウム（ＳｒＦ２）、ＬｉＣＡＦ（コルキライト：ＬｉＣａＡｌＦ６）、ＬｉＳＡＦ（ＬｉＳｒＡｌＦ６）、ＬｉＭｇＡｌＦ６、ＬｉＢｅＡｌＦ６、ＫＭｇＦ３、ＫＣａＦ３、ＫＳｒＦ３等のフッ化物結晶またはこれらの混晶、またはフッ素や水素等の物質をドープした石英硝子等の真空紫外光を透過する化学材料から適宜選択される。
【００７４】
また、上記実施形態では、反射光学素子の波面収差測定を例に挙げて説明したが、本発明の実施形態である測定装置はこれらの例に限定されない。本発明の態様の照明光学系は、透過光学素子の波面収差等を測定するための測定装置に用いることができる。また、本発明の態様の照明光学系は、たとえば特許文献１に記載されているような、光学系を被検物とする測定装置に適用することもできる。これらの場合、従来の測定装置のピンホールに代えて本発明の態様の照明光学系を用いれば良く、照明光学系から出射した球面波は測定光として被検物（光学系）に照射され、被検物（光学系）を経由した測定光は検出部に導かれ、検出結果に基づいて波面収差等の光学特性が測定される。本発明の態様の照明光学系は高精度かつ高強度な球面波を出射するので、透過光学素子や光学系の光学特性を測定する場合であっても、反射光学素子の場合と同様に、高精度でＳ／Ｎ比の高い測定結果を得ることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１，２…光学素子、１０…基材、１１…金属薄膜、１２…開口部（散乱部）、１３…凸部（散乱部）、２０…光入射手段、３０…遮光部（全反射条件を満たさない光の少なくとも一部を遮蔽する構造）、５０，６０…照明光学系、１００，２００…測定装置、１２０，２２０…検出部、１３０，２３０…算出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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