(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明試料の面外複屈折の決定方法であって、
互いに角度的に分離された２つの光線を発生すること、
前記互いに角度的に分離された２つの光線のそれぞれを位相変調し、その後前記試料内のある位置を通過させるステップと、
その後各光線を位相変調するステップと、
前記位置を通過した後に位相変調を受けた前記２つの光線の特性を検出するステップと、
前記試料の面外複屈折を算出するために検出された前記特性を用いるステップとを含む、面外複屈折の決定方法。
【請求項２】
前記両光線は約３０度の角度をなす、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記通過ステップは、前記両光線を発生するための相互に離れた２つの光源を提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記位相変調のために光弾性変調器を用いるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記各光線が前記試料を通過した後該各光線を位相変調するための光弾性変調器を用いるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記試料は出力面を有し、角度的に分離された前記両光線の一方を前記出力面に関して垂直な入射角に向けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記検出ステップは前記各光線が前記試料を通過した後に該各光線を２つの部分に分離することおよび前記両ビームの前記各部分を分離された検知器に向けることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記通過ステップは、第１の光線を発生するための単一光源を提供するステップと、角度的に分離された前記２つの光線を提供すべく前記第１の光線を分岐するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記分岐ステップは角度的に分離された前記２つの光線を提供すべく前記第１の光線の少なくとも一部を連続的に分岐することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記分岐ステップは、角度的に分離された前記２つの光線を提供すべく前記第１の光線を周期的に分岐することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
角度的に分離された前記各光線が前記試料を通過した後該各光線を受けるための検知器を設けるステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
相互に角度的に分離された前記２つの光線が前記試料を通過した後、前記両光線を収束するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記収束ステップは角度的に分離された前記２つの光線が前記試料を通過した後、該両光線を共通軸に沿って方向付けることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記試料を通過した光線の特性を検出する単一の検知器を使用するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記試料を通過した前記両光線の特性を同時に検出するために２つの検知器を用いるステップを含む請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
角度的に分離された前記両光線が前記試料の複数の位置へ向けて方向付けられるように、前記試料を周期的に移動させるステップと、前記試料の前記複数の位置での面外複屈折を算出するステップとを含む請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
角度的に分離された前記両光線を前記試料の所定の軸に関する第１の面内に向けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記試料軸に関し前記第１の面の位置を変更することによって前記両光線の位置を周期的に変更するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記通過ステップは前記試料を傾けることを含む請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記試料を回転し前記試料の前記位置での前記面外複屈折を再算出するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記試料内の前記位置における面外複屈折を算出することに加えて前記試料の前記位置における面内複屈折を算出するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記試料の前記位置での前記面外複屈折の算出と同時に前記位置での前記面内複屈折を算出するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記試料の前記面内複屈折の速軸を規定するために一方の光線の検出された前記特性を用いるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
透明な試料の面外複屈折を測定するための光学装置であって、
少なくとも一つの光源と、
角度的に分離された２つの光線を前記試料内の共通する位置に向けるための、前記光源に関連する分岐手段と、
前記各光線の位相を変調し、その後前記角度的に分離された２つの光線を前記試料内の前記共通する位置を通過させるための手段と、
前記共通する位置を通過した後に各光線の位相を変調する手段と、
前記試料の前記面外複屈折の算出に使用するために前記位置を通過しその後位相変調を受けた前記両光線の特性を検出する検出手段とを含む、光学装置。
【請求項２５】
角度的に分離された前記２つの光線が前記試料を通過した後、該両光線を共通軸に方向付ける収束手段を含む、請求項２４に記載の光学装置。
【請求項２６】
前記試料の前記位置での面内及び面外複屈折の処理を実質的に同時に行う処理手段を含む、請求項２４に記載の光学装置。」
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学材料の複屈折特性の測定に関し、基本的には、そのような材料の面外複屈折の測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの重要な光学材料が複屈折を示す。複屈折は、異なる速度で前記材料を通過する異なる直線偏光を引き起こす。これらの異なる偏光は、一の成分が他の成分に直交する偏光の２つの成分であると考えられている。
【０００３】
複屈折は多くの光学材料に固有の特性であり、また前記材料に外力を加えることにより導入することができる。このようにして導入された複屈折は、前記複屈折が振動したときのように一時的に生じ、あるいは、例えば前記材料の製造過程で該材料が熱応力を受けたときにしばしば生じるように、前記複屈折が残留することがある。
【０００４】
遅延すなわち遅延特性（retardance）は、前記光学材料からなる試料を通過する光線の経路に沿って作用する複屈折の統合された結果を表す。入射光線が直線偏光を受けると、該直線偏光の２つの直交成分がリターダンス（retardance）と称される位相差で前記試料内に存在する。リターダンスの基本単位は、ナノメートル（ｎｍ）のような長さである。しかし、光の波長（ｎｍ）で除したリターダンス（ｎｍ）に比例する位相角（波長、ラジアン又は度）の単位で表すことが便利である。試料についての「平均」複屈折は、測定されたリターダンスの大きさを前記試料の厚さで除することにより、算出されることがある。
【０００５】
前記した２つの直交する偏光成分は前記光学材料すなわち試料に関する２つの直角軸に平行であり、直角な両軸は「速軸」および「遅軸」と称されている。速軸は前記試料を通過する早い偏光成分に整列する該試料の軸線である。それ故、所与の光路に沿った試料のリターダンスの完全な記述は、該リターダンスの大きさ及び前記試料の速軸（又は遅軸）の相対的な角度方向の双方を特定することを必要とする。
【０００６】
複屈折特性を正確に測定することの必要性が多くの技術用途で益々重要になってきている。例えば、半導体または他の産業で採用される高精密機器で用いられている光学要素の線形複屈折を特定することが重要である。
【０００７】
参考文献としてここに組み入れられた米国特許第６，４７３，７４７号、「複屈折測定装置」を含む従来技術は、試料表面に関して垂直（０角度）入射角で試料に向けられた光線を用いる試料の複屈折測定方法及び装置を開示する。その結果、試料の複屈折の決定は「面内」（in-plane）であり、その決定は、基本的には、前記試料の前記入射光に直角な面内での２つの直交軸の屈折率の差を示すことを意味する。
【０００８】
表示される可視光での複屈折の効果（そのような効果は例えば光が光学フィルムあるいは塗膜を通過するときに生じる）は、コントラストを低下させあるいは色を変えるであろう。また、液晶表示（LCD）パネルで用いられているような多くの材料では、複屈折の程度すなわち大きさは光線の入射角の関数であると考えられている。例えばLCDパネルを見る視角の（垂線からの）増大は、前記パネルから発散する光線の複屈折効果を増大させ、補正なしには、コントラストの低減及び／又は色変わりにより、可視光の知覚品質を低下させてしまう。
【０００９】
視角の変化に起因する今や名高い複屈折を補償する目的でＬＣＤパネルに用いるために透明な高分子フィルムが開発された。要約すれば、これらのフィルムは、前記ＬＣＤパネルの複屈折を補償する複屈折特性を有し、したがって、コントラストや色の大幅な損失を招くことなく、広い視角を提供する。
【００１０】
そのようなフィルム及び他の光学材料の垂直（０角度）入射角に平行な面での複屈折を適正に特徴付けることは重要である。この複屈折の測定は、「垂直」または「面外」複屈折と称することができる。直交座標系の用語で面内及び面外屈折の概念を考えることができる。したがって、垂直入射光がそのような座標系のＺ軸に平行な方向に進むと考えれば、前記面内複屈折は前記試料のＸＹ面に生じる。面外複屈折は前記面内複屈折に直角な平面内であり、よって、ＸＺまたはＹＺ面内に生じる。
【００１１】
（先ほど述べた複屈折補償フィルムの例に加えて、）他の応用は、面外複屈折の正確な決定を必要とする。たとえば、フッ化カルシウムのような、ある種の等方性結晶は、その結晶中を短波長光（例えば１５７ｎｍ）が伝搬するとき、固有の複屈折を示す。その固有の複屈折は、前記結晶の［１１０］軸に平行な面内で最大になる。また、そのような結晶は、該結晶の［１１１］面に平行な入射光を垂直に受けるための外面すなわち「ウインドウ」をもつ。その結果、今述べた結晶の［１１０］軸に現れる固有複屈折は前記［１１０］面に垂直な光に関して面外複屈折となり、よって、次に要約を述べる本発明の測定技術に従う。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は透明な光学材料からなる試料の面外複屈折の精密な測定に向けられている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
好ましい一実施例では、角度的に分離された２つの光線が試料の選択された位置を通される。両光線の一方は、試料表面に垂直な入射角に向けられる。両光線の特性は前記試料の通過後に検出され、得られた情報は面外複屈折の決定のために処理を受ける。
【００１４】
本発明の他の利点及び特徴は、本明細書の以下の記載および図面の検討により明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明によれば、試料のある位置に生じる面外複屈折は２つの角度的に分離された光線が前記位置を通過することにより決定される。両光線の一方は前記試料の表面に垂直に方向付けられる。したがって、前記一方の光線は、前記試料から抜け出ると、前記試料の面内複屈折に関する情報を提供する。
【００１６】
他方の光線は、前記試料表面に斜めに方向付けられ、したがって、前記試料を通る前記第２の光線の（屈折する）入射経路に沿って生じるリターダンスに関連する情報を提供する特性を伴って前記試料から抜け出る。角度的に分離された２つの光線によって与えられる情報は、検出され、前記試料の面内複屈折に加えて、前記試料の面外複屈折を提供するために、以下により詳細に記載されているような処理を受ける。
【００１７】
面外複屈折を測定するための装置の一実施例が、図１及び図２を参照して記載されている。図１の略図は、前記装置の主要光学要素を示す。前記光学要素は、集合化してモジュールとして述べられている。図１の実施例は、垂直ソースモジュール１０と、垂直検出モジュール１２と、斜めソースモジュール１４と、斜め検出モジュール１６とを記述する。「垂直」および「斜め」の用語は、ここでは、以下に詳述するように、それぞれ直角すなわち０角度の入射角で前記試料に向けられる光線に関連するモジュールと、斜めの角度で前記試料に向けられる光線に関連するモジュールとを区別する形容詞として用いられている。
【００１８】
垂直ソースモジュール１０の構成要素は、光源２０としてHe-Neレーザを含む。前記レーザは６３２．８ナノメートル（ｎｍ）の波長を有する。前記光源の波長は、特定の応用に最も適合するように選択することができる。
【００１９】
前記光源２０から放射される光線「B」は、約１．０ミリメートル（ｍｍ）の横断面積すなわち「スポットサイズ」を有する。前記光源光線は、基準軸線に関して＋４５度の偏光方向に指向性を与えられた偏光子２２に入射するように、方向付けられる。グラン−トムソン方解石のような高い消光性を示す偏光子が好ましい。また、精巧で段階的に動作する回転体に偏光子２２を取り付けることが好ましい。
【００２０】
偏光子２２から放射する偏光は、光弾性変調器２５の光学要素２４に入射する。好適な実施例では、前記光弾性変調器（以下、「ＰＥＭ」と称す。）は、オレゴン州ヒルズボロに所在するハインズ  インスツルメンツ（Hinds Instruments）社製のＰＥＭである。ＰＥＭが好適であるが、前記光源光線の偏光を変調するために他の機構を用いることができることは注目すべき点である。
【００２１】
最も正確なリターダンス測定は、前記装置の光学要素に現れる残留複屈折を最小にしたときに達成される。この目的のために、ＰＥＭ２５は、該ＰＥＭの光学要素２４の支持の影響力によって生じるかも知れない残留複屈折を排除するように、構成されるべきである。
【００２２】
ＰＥＭ２５は、０度に向けられた複屈折軸線を有し、好ましくは５０ｋHzの公称周波数で光学要素２４に振動複屈折を付与する制御器８４により制御を受ける。この点に関し、前記制御器は２つのクオーツトランスデューサを駆動し、該クオーツトランスデューサ間に光学要素２４が接着されている。
【００２３】
ＰＥＭ２５の振動複屈折は、該ＰＥＭを伝搬する偏光の直交成分間に時間変化の位相差を生じさせる。如何なる瞬間においても、前記位相差は、前記ＰＥＭにより引き起こされた遅延（retardation）である。先に述べたように、前記遅延はナノメートルのような長さの単位で測定できる。前記ＰＥＭは、該ＰＥＭにより引き起こされる前記遅延の大きさを変えることができるように、調整可能である。手近なところでは、前記遅延の大きさは、０．３８３波長（２４２．４ｎｍ）に選択される。
【００２４】
ＰＥＭ２５から伝搬する光線「Ｂ１」は透明な試料を通るように指向される。前記試料は、直交（ＸＹ）軸に沿って並進運動的な意味で前記試料を周期的に移動させるように制御できる試料ホルダ２８によって、前記光線の経路に支持されている（ここではＺ軸方向に進む光線を考える）。
【００２５】
試料２６は、例えば、薄く、柔軟な高分子フィルムかも知れないので、ホルダは、２つの剛性支持部材間に強固に張られた複数の互いに離れた、小さな直径（例えば１または２ミリメートル）のワイヤーを含むものが好ましい。前記ワイヤーに、低摩擦被覆物で被覆されたあるいは被覆されていないステンレス鋼製のワイヤロープを用いることができる。また、ナイロンで被覆されたワイヤロープおよびその他の多くの材料を前記ワイヤーとして用いることができる。前記ワイヤー、該ワイヤーの張力および各ワイヤー間の間隔は、前記試料の重量に応じて、該試料がこれにたるみを生じさせるような曲げ応力を作用させない平面で支持されるように、選択される。ホルダ２８の個々のワイヤー間の間隔は、（それらの自重および試料２６の可撓性に応じて）できる限り大きくされ、上記したように、前記ワイヤーの下方に横たわる前記ワイヤーによって占められる空間が最小となる。
【００２６】
前記したように、前記試料を平行移動させるための従来のＸ−Ｙステージ機構により、試料ホルダ２８を駆動することができ、これにより、試料２６の全領域内の複数の位置を光線「Ｂ１」で走査することができる。
【００２７】
前記光線「Ｂ１」は、試料２６を通過するとき、該試料の面内複屈折の影響を受ける。前記したように、その影響により、前記光線に遅延が生じる。この遅延を生じさせる面内複屈折は、以下に説明するように、本発明に従って決定され、また、面外複屈折の決定に用いられる。
【００２８】
前記試料に導入される面内遅延の明確な測定のために、試料２６を通り抜ける前記光線「Ｂ１」が異なる偏光方向を有する２つの部分に分離され、それについて引き続く処理のために２つの情報のチャンネルが規定される。
【００２９】
光線「Ｂ１」を分離するための好適な機構は、垂直検出モジュール１２の構成要素でありかつ前記光線の経路（以下、入射経路と称す）に配置されたビーム分割ミラー３０を含む。ビーム分割ミラー３０は、好ましくは、ショットガラス型（Schott Glass type）SF-57で作られる。このガラスは、極端に低い（０に近い）応力光学係数を有する。ビーム分割ミラーが好ましいが、これに代えて、光線「Ｂ１」を２つの部分に分離するための他の（フリッパー状ミラー配置のような）機構を用いることができる。
【００３０】
ビームすなわち光線「Ｂ１」がビーム分割ミラー３０を完全に通過すると、「Ｂ１ｌ」で表されているように、検出のための検出装置３２に入る。検出装置３２は、基準線から−４５度の偏光方向に配置された小型のグラン-テイラー型（Glan-Taylor type）検光子４２を含む。検光子４２から、光線「Ｂ１ｌ」は後でさらに述べる検知器４４に入る。
【００３１】
ビーム分割ミラー３０の反射面は、上向きであり、試料２６へ向き合う。前記ミラーは、入射経路（すなわち試料２６から伝搬する光線「Ｂ１」の光路）が前記ミラーの反射面にほぼ垂直となるように、据え付けられている。好適な実施例では、前記入射経路に沿って進行する光線「Ｂ１」と前記ミラー３０で反射された部分光線「Ｂ１R」との間の角度は０度より大きく１０度より小さい。
【００３２】
反射された部分光線「Ｂ１R」は他方の検出装置５０に入射する。検出装置５０は、入射光線「Ｂ１」に近接するように構成され、配列されており、また反射光線「Ｂ１R」を受けるように位置する。検出装置５０の構成要素は、一体的に小型化され、偏光方向がＰＥＭ２５の複屈折軸線に平行な０度であるように配置されたグラン-テイラー型検光子７４を含むように収容されている。
【００３３】
検光子７４上に、偏光したレーザ光の通過を許すが不要な室内光が検知器７６に到達することを阻止する狭帯域干渉フィルタ７７が積み重ねられている。前記検知器は、好ましくは前記フィルタ上に積み重ねられたフォトダイオードである。このフォトダイオード検知器７６は、好適な検知機構であり、受けたレーザ光の時変強度を表す電流信号を出力する。この検出装置５０に関し、検知されるレーザ光は、光線「Ｂ１R」のレーザ光であり、試料２６から伝搬した光線の反射された部分である。
【００３４】
検出装置５０のフォトダイオード出力は、検出装置５０の一部である関連のプリント回路基板（図示せず）に保持されたプリアンプに伝えられる。前記プリアンプは、低インピーダンス強度信号VAC1Rおよび感知器信号の時間平均を示す直流強度信号VDC１Rの形態で、位相感知装置（好ましくはロックインアンプ８０または同等のコンピュータを利用したディジタル信号処理要素）に出力７５（図２）を供給する。
【００３５】
前記したもう一方の検出装置３２（図１）でありかつ前記光線「Ｂ１」の非反射部分「Ｂ１ｌ」が向けられる検出装置３２は、直前に述べた検出装置５０と２つの点を除いて同様な構成である。検出装置３２は、検光子４２の偏光方向が他方の検出装置５０の検光子７４の偏光方向に斜めになっている。特に、検光子４２は、−４５度の偏光方向で配置されている。また、検出装置３２のフォトダイオードは、受けたレーザ光の時変強度を表す電流信号を出力し、試料２６を通過して伝搬する光線「Ｂ１」の非反射部分「Ｂ１ｌ」である。
【００３６】
検出装置３２のフォトダイオードの出力はプリアンプに伝えられ、該プリアンプはその出力７９を低インピーダンス強度信号VAC1および感知器信号の時間平均を示す直流強度信号VDC１の形態で、ロックインアンプ８０（図２）に出力７５（図２）を供給する。
【００３７】
要約すると、ロックインアンプ８０は２つの入力チャンネルを備える。一方は検出装置３２の前記出力に対応し、他方のチャンネルは検出装置５０の前記出力に対応する。第１のチャネルを経て前記ロックインアンプにより得られた強度情報は、−４５度検光子４２の配置により、試料２６に導入された０度または９０度の遅延特性（リターダンス）成分に関連する。ロックインアンプ８０の第２のチャネルで受ける強度情報は、０度検光子７４の配置の結果、前記試料に導入された４５度または−４５度の遅延成分に関連する。以下に説明するように、この情報は、試料のその位置での速軸の方向と同様に、該試料の走査位置での光線「Ｂ１」（すなわち垂直入射光線）にもたらされた総体的な遅延の大きさを明確に決定する結果を生じるアルゴリズムで結合される。
【００３８】
ロックインアンプ８０は、その参照信号８２として、ＰＥＭ２５の光学要素２４を駆動するＰＥＭ制御器８４により供給される発振周波数を受ける。ロックインアンプ８０は、前記したチャネル１およびチャネル２として指定することができる２つのチャネルで受信される前記試料のその位置での値をディジタルコンピュータ９０に提供するために、これに接続されている。前記両検知器のチャネル１および２の強度信号は以下のように導かれる。
【００３９】
【数１】
0004657105.tif 000002
【００４０】
ここで、ΔはＰＥＭの時変位相遅延であり、δNは試料の光線「Ｂ１」関する遅延の大きさであり、ρは試料遅延の速軸の方位角である。導出に用いられる線形複屈折標本(δ, ρ)のためのミュラー行列は、以下のような一般式になる。
【００４１】
【数２】
0004657105.tif 000003
【００４２】
式（１）において、sinΔ（Δ＝Δ0sinωt、ここで ωはＰＥＭの変調周波数であり、Δ0 はＰＥＭの最大ピーク遅延である。）は、第１種のベッセル関数で展開できる。
【００４３】
【数３】
0004657105.tif 000004
【００４４】
ここで、ｋは「０」または正の整数であり、J2k+1 は第(2k+1)次のベッセル関数である。同様に、cosΔ は、偶数次高調波のベッセル関数で展開できる。
【００４５】
【数４】
0004657105.tif 000005
【００４６】
ここで、J0 は、０次のベッセル関数であり、J2k は第(2k)次のベッセル関数である。
【００４７】
式（１）ないし式（３）に見られるように、ＰＥＭの第１次高調波での信号を用いて遅延特性すなわちリターダンスの大きさおよびその方位角を決定することが好ましい。
【００４８】
ＰＥＭの第２次高調波で線形複屈折を測定するために有用な信号は、sinδNに比較して極めて小さな値であるsin2(δN/2)によって補正される。前記検知器で示される１F電子信号は式（４）で表現することができる。
【００４９】
【数５】
0004657105.tif 000006
【００５０】
前記したように、前記１Ｆ信号は、前記ＰＥＭの第１次高調波で参照されるロックインアンプ８０を用いて決定される。前記ロックインアンプは１Ｆ以外の全ての高調波からの寄与を排除する。ロックインアンプ８０のからの２つの前記チャネルのための出力は、以下のようになる。
【００５１】
【数６】
0004657105.tif 000007
【００５２】
低レベル線形複屈折のために、sinδN ≒ δN の近似が用いられ、また前記ロックインアンプが信号の自乗平均を測定するという事実から、振幅ではなく、√２が結果として生じる。
【００５３】
前記ＰＥＭの第１次高調波以外の周波数に現れる全ての項は、式（５）を得ることにより、無視される。前記１ＦのＶＡＣ信号を得るための式（５）の妥当性は、δN が小さいときsin2(δN/2)≒０であるという近似の結果で保証される。このことは、例えば２０ｎｍ以下の低レベルの遅延特性（リターダンス）に適合する。
【００５４】
前記光源の強度の揺らぎの影響、または吸収、反射損失あるいは散乱による伝達での変化の影響を除去するために、前記１ＦのＶＡＣ信号の前記ＶＤＣ信号に対する比が用いられる。（それに代えて、ＤＣ信号を動的に統一的に正規化するような同様な方法を用いることができる。）式（１）におけるcosΔの項を排除することは、高品質のロックインアンプを用いて１FのVAC信号の決定を行うことに最小限の影響しか及ぼさないが、チャネル１のVDC信号に重大な影響を及ぼす。式（１）におけるcos2(δN/2)cosΔの項は、δNが小さいときcosΔの値に近似する。式（３）から分かるように、cosΔ の値はJ0(Δ0)に依存し、「DC」の項である。その結果、このDC項は、式７に示すように補正することができる。
【００５５】
【数７】
0004657105.tif 000008
【００５６】
ここで、Rch1 および Rch2 は、それぞれ２つのチャネルから決定される量である。
【００５７】
チャネル１でcosΔ 項によって生じた「ＤＣ」項の補正のために、J0(Δ0) = 0 (Δ0 が2.405 ラジアンまたは0.383 波長のとき)となるように、ＰＥＭ遅延を設定する。このＰＥＭ設定では、前記１Ｆの信号の生成のためのＰＥＭ効率はその最大の約９０％である。
【００５８】
最終的に、垂直入射光線「Ｂ１」に影響を及ぼす面内遅延の計測量 δN（ナノメートル）および角度方向ρは式（８）で表される。
【００５９】
【数８】
0004657105.tif 000009
【００６０】
これらの式（８）はコンピュータ９０上で動作するプログラムにコンパイルされ、角度的に分離された前記光線が伝搬する前記試料中の選択された位置での、このような遅延特性（リターダンス）の大きさおよび方位角を決定するのに用いられる。
【００６１】
式（８）は、特に小さな線形複屈折のために開発された。式（８）を導くために用いたsinδN ≒ δN の近似は、光の波長が６３２．８ｎｍのときδ＝２０ｎｍに対して約１％の誤差をもつ。大きな遅延特性（リターダンス）に対しては、δNに代えて sinδN が用いられる。
【００６２】
前記ＰＥＭのような装置の構成要素の残留複屈折を除去するための前記した試みに拘わらず、少なくともある程度の残留複屈折の存在は避けがたい。本発明の装置では、高精度の結果は、本装置のオフセットと称される如何なる残余の残留複屈折をも無効にするために式（８）の結果を補正することにより、得られる。現実に、前記光弾性変調器の光学要素やビーム分割ミラー基板における残留複屈折は、測定結果に誤差をもたらし得る。そのような誤差は、始めに試料の無い状態で前記装置を作動させることによって測定することができる。誤差の補正は、各チャネルの誤差値を差し引くことにより、行われる。原理上、その手順は、本装置の自己較正（セルフ−キャリブレーション）方法を提供する。しかしながら、本装置での試料の測定と他の方法を用いて得られた測定との比較は、賢明である。
【００６３】
前記試料の面内複屈折によって導入された遅延特性（リターダンス）δN の値は、図１に「Ｂ２」として示された他の光線に付与された遅延特性（リターダンス）の測定と同時的に用いられる。前記したように、光線「Ｂ２」は試料２６の前記表面に斜めに向けられる。そのため、光線「Ｂ２」は前記試料を通過する光線「Ｂ２」の（屈折）入射経路に沿って生じる遅延特性（リターダンス）に関連した情報を提供する特徴を伴って前記試料から出る。したがって、角度的に分離された２つの光線「Ｂ１」および「Ｂ２」により提供される情報は、前記試料の面内複屈折に加えて、前記試料の面外複屈折を提供するために、検出され、また処理される。
【００６４】
以下に述べる点を除いて、斜めソースモジュール１４および斜め検出モジュール１６は、垂直ソースモジュール１０および垂直検出モジュール１２にそれぞれ匹敵する。したがって、斜めソースモジュール１４は、垂直ソースモジュール１０の光源２０、偏光子２２およびＰＥＭ２５と同様に機能する光源２２０、偏光子２２２およびＰＥＭ２２５を含む。同様に、斜め検出モジュール１６は、垂直検出モジュール１２のビーム分割ミラー３０および検出装置３２、５０と同様に機能するビーム分割ミラー２３０および検出装置２３２、２５０を含む。斜め検出モジュール１６では、光線「Ｂ２」は、したがって、２つの部分「Ｂ２Ｉ」および「Ｂ２Ｒ」に分けられ、垂直検出モジュール１２における光線部分「Ｂ１Ｉ」および「Ｂ１Ｒ」と同様な処理を受ける。
【００６５】
垂直モジュール１０、１２と斜めモジュール１４、１６との根本的な差違は、該両斜めモジュールが、垂直入射光線「Ｂ１」に関して斜めである図１の角度「Ａ」で試料２６を通過するように伝搬する光線「Ｂ２」を提供し検出するために用いられていることである。この目的のために、本実施例では、斜めソースモジュール１４は、垂直ソースモジュール１０から離れて据え付けられ、また前記試料内の同一位置を伝搬する角度的に分離された光線「Ｂ１」および「Ｂ２」を生成するように、傾斜される。
【００６６】
一実施例では、角度「Ａ」は３０度に選択される。後述する面外複屈折の計算は、両光線「Ｂ１」および「Ｂ２」から導き出される情報を含むことから、角度「Ａ」は、斜め角度光線「Ｂ２」の前記試料に侵入する位置が垂直入射光線「Ｂ１」の侵入する位置と角度をなすように実質的にそろい、また両位置での寸法が著しく異ならないことを確実にする上で、小さな角度が好ましい。これらのことを考慮して、両光線を３０度だけそらせるように処置されている。
【００６７】
当業者は、垂直検出モジュール１２および該検出モジュールで受光された光線「Ｂ１」の関連する処理についての前記した考察に引き続き、前記ロックインアンプ２８０（図２参照）に適用されコンピュータ９０により処理される検出された信号が、斜め光線「Ｂ２」における遅延特性（リターダンス）の計測量δN（ナノメートル）を生じることを理解するであろう。この情報は、次に説明するように、前記試料の選択された位置に関連する面内複屈折および面外複屈折の好ましくは同時的な計算のために、測定された垂直遅延δNの情報に用いられる。
【００６８】
前記したように、Z軸にあると見なせる垂直入射光線「Ｂ１」の前記リターダンスの大きさは、δN （ナノメートル）で表示されている。前記面内複屈折は次のとおり定義される。
【００６９】
【数９】
0004657105.tif 000010
【００７０】
ここで、nY および nX は、前記入射光線に直角である、試料の直交軸、X軸およびY軸における前記試料の屈折率をそれぞれ表す。変数「ｄ」は、前記試料の厚さであり、典型的にはマイクロメータで計測され、したがって遅延測定のナノメートルの次元に会わせるために、ここでは１０００倍されており、これにより式（９）の微少な面内複屈折が得られる。
【００７１】
したがって、前記垂直遅延特性（リターダンス）の計測量は、次のように前記面内複屈折に関連する。
【００７２】
【数１０】
0004657105.tif 000011
【００７３】
（再び前記した直交座標系を用いて）ＸＺ平面での面外（すなわち垂直）複屈折の値を求める状況下を考えるに、前記面外複屈折は、ΔnV1 = nZ  nXで示される。
【００７４】
前記したように、前記試料の速軸 ρ は、式（８）に示されるように算出される。ここで必要なことは、この情報は、前記試料の複屈折（速）軸および複屈折（速）軸の計測成分が一直線上にあるということを保証することである。そのために、斜め角度光線「Ｂ２」の角度「Ａ」はφ（この実施例では、３０度）であり、前記試料はｎの値の平均屈折率を有すると仮定すると、前記試料内部の修正された（屈折による）入射角は次式である。
【００７５】
【数１１】
0004657105.tif 000012
【００７６】
斜め角の遅延特性（リターダンス）は次式で示される。
【００７７】
【数１２】
0004657105.tif 000013
【００７８】
式（１０）および式（１１）を再整理すると、次式が得られる。
【００７９】
【数１３】
0004657105.tif 000014
0004657105.tif 000015
【００８０】
両式を結合すると、次式が導かれる。
【００８１】
【数１４】
0004657105.tif 000016
【００８２】
すなわち
【００８３】
【数１５】
0004657105.tif 000017
【００８４】
その値は、コンピュータ９０を用いて算出されるとおり、ＸＺ面での前記試料の面外（すなわち垂直）複屈折である。
【００８５】
所望であれば、本発明の装置は、異なる垂直面のための面外複屈折の決定に用いられ、前記試料の（ＸＺ面に垂直な）ＹＺ面でのそれは、次のとおりである。
【００８６】
【数１６】
0004657105.tif 000018
【００８７】
前記試料２６をそのＸＹ面内で回転されることができ、すなわち、前記した一つの垂直面以外での面外複屈折の計測を実行するために、第３のソースモジュールおよび検出モジュールの対を使用することができる。
【００８８】
前記面内複屈折が斜め複屈折に比較して無視できる場合、Ｘ軸およびＹ軸が複屈折軸（速軸および遅軸）に一致することおよび前記複屈折測定装置は不要となることは注目すべきである。そのような場合、面外複屈折は、次式のとおりである。
【００８９】
【数１７】
0004657105.tif 000019
【００９０】
図３および図４は、本発明の他の実施例の線図および図３に示す装置の信号処理要素のブロック図をそれぞれ示す。この例は、前記したと同様な方法で面外複屈折を算出するが、前記した垂直δNおよび斜めδOの遅延特性（リターダンス）の測定結果を決定するための異なる配置例を用いた二重ＰＥＭ、単一検知器の実施例である。
【００９１】
図３に示されているように、垂直ソースモジュール３１０は光源３２２、＋４５度の指向性を与えられた偏光子３２４および０度の指向性を与えられたＰＥＭ３２６を含む。
【００９２】
垂直検出モジュール３１２は、第１のＰＥＭ３２６の変調周波数と異なる変調周波数が設定された第２のＰＥＭ３２８を含む。第２のＰＥＭ２８は４５度の指向性を与えられている。垂直検出モジュール３１２は、また、０度の検光子３３０および検出装置３３２を含む。
【００９３】
先に示した実施例におけると同様に、前記ソースおよび検出の両モジュール間には、透明な試料２６のためのホルダ２８が配置されている。
【００９４】
図３に示された垂直ソースモジュール３１０および検出モジュール３１２を引き続き参照するに、ソースモジュール３２２は、波長が６３２．８ナノメートルの偏光を受けるHe-Neレーザである。偏光子３２４および検光子３３０はそれぞれグラン−トムソン型偏光子である。また、本実施例では、Siフォトダイオード検知器３４４が用いられている。両ＰＥＭ３２６、３２８は、２つのトランスデューサを有する棒状の石英ガラスモデルである。前記トランスデューサは柔らかな結合材料で石英ガラス光学要素に取り付けられている。前記光学要素に導入される複屈折を最小にするために、前記トランスデューサのみがＰＥＭハウジングに据え付けられている。２つのＰＥＭ３２６、３２８は、５０および５５KHｚの公称共振周波数をそれぞれ有し、制御器（図示せず）により駆動される。
【００９５】
図４に示されているように、検出装置３３２で生じる電子信号は、「ＡＣ」および「ＤＣ」の両信号を含み、それぞれに異なる処理を受ける。前記ＡＣ信号は２つのロックインアンプ３４０、３４２に供給される。各ロックインアンプは、ＰＥＭの基本変調周波数（１Ｆ）を参照し、検出装置３３２から供給される前記１Ｆ信号を復調する。
【００９６】
検出装置３３２からの前記ＤＣ信号が、アナログ−ディジタル変換器およびローパス電気フィルタを通過した後、ロックインアンプ３４０により受信される。前記ＤＣ信号は検出装置３３２に到達した光の平均強度を表す。次に説明するように、前記ＤＣおよびＡＣの両信号は、異なるＰＥＭ遅延設定値で記録される必要がある。
【００９７】
この実施例における試料２６の複屈折特性の測定に基づく理論的分析は、またミュラー行列分析に基づいており、図３および図４に示されたこの二重ＰＥＭ、単一検知器の実施例について以下に説明する。
【００９８】
図３に示された対をなすソースおよび検出の両モジュールのそれぞれのためのミュラー行列が以下に示されている。δ（ここでは、以下に述べるように垂直／斜めの意味よりもむしろ一般的な意味に考えられている）の大きさおよび速軸の角度がρを有する、本光学装置内の試料２６は以下の式で表される。
【００９９】
【数１８】
0004657105.tif 000020
【０１００】
２つのＰＥＭ（一方がソースモジュールに、また他方が検出モジュールにあってρ = 0度および 45度でそれぞれに指向された遅延軸を有する）のミュラー行列は、それぞれ次のとおりである。
【０１０１】
【数１９】
0004657105.tif 000021
【０１０２】
ここで、δ1 および δ2 は、ソースＰＥＭ（３２６または４２６）および検出ＰＥＭ（３２８または４２８）の時変位相遅延であり、δ1 = δ1osinω1t および δ2 = δ2osinω2tであり、また、ここで ω1 およびω2 はそれぞれＰＥＭの変調周波数であり、 δ1o およびδ2o は２つのＰＥＭの遅延振幅である。
【０１０３】
図３に示された装置における光学要素のミュラー行列を用いれば、検知器（３４４または４４４）に到達する光強度は、次式のとおり、求められる。
【０１０４】
【数２０】
0004657105.tif 000022
【０１０５】
ここで、I0 は偏光子（３２４または４２４）を通過後の光強度であり、Kは前記偏光子を通過した後での前記光学系の伝達効率を表す定数である。
【０１０６】
式（１９）中のsinδ1 および cosδ1 は、第１種のベッセル関数で次のとおり展開できる。
【０１０７】
【数２１】
0004657105.tif 000023
【０１０８】
ここで、ｋは「０」または正の整数であり、J2k+1は第(2k+1)次のベッセル関数である。
【０１０９】
【数２２】
0004657105.tif 000024
【０１１０】
ここで、J0 は０次のベッセル関数であり、J2k は第(2k)次のベッセル関数である。
【０１１１】
同様な展開をsinδ2 およびcosδ2について行うことができる。
【０１１２】
sinδ1 、cosδ1、sinδ2およびcosδ2 の展開式を式（１９）に代入し、第２次のベッセル関数のみを扱うことにより、以下の項を得ることができる。
【０１１３】
【数２３】
0004657105.tif 000025
【０１１４】
【数２４】
0004657105.tif 000026
【０１１５】
【数２５】
0004657105.tif 000027
【０１１６】
【数２６】
0004657105.tif 000028
【０１１７】
項（３）および項（４）の第１部分は、低レベル（π／２すなわち１／４波長以下）での線形遅延特性の決定に用いることができる。項（２）はより高いレベル（πすなわち半波長まで）の線形遅延特性の決定に用いられる。項（１）は平均光強度に関するＤＣ項を含む。
【０１１８】
２つのＰＥＭの関連する第１高調波（１Ｆ）で参照されるロックインアンプ（３０４、３４２または４４０、４４２）を用いて、検出装置（３３２または４３２）の１ＦのＡＣ信号を決定することができる。前記ロックインアンプは他の全ての高調波の関与を効果的に排除する。２つのＰＥＭのための前記ロックインアンプにより測定される１Ｆ信号は、次のとおりである。
【０１１９】
【数２７】
0004657105.tif 000029
【０１２０】
個々で√２は、ロックインアンプの出力が振幅ではなく自乗平均を測定するという事実に依る。式（２２）から、J0(δ10)2J1((δ20) およびJ0(δ20)2J1((δ10)のそれぞれの最大値は前記ロックインアンプの出力に最良の結果をもたらすことが理解できよう。前記ＡＣ信号が収集されたとき、該ＡＣ信号の最適化のために両ＰＥＭの遅延振幅が１．４３ラジアンになるように設定される。
【０１２１】
前記ＤＣ信号は、項（１）から次のとおり導かれる。
【０１２２】
【数２８】
0004657105.tif 000030
【０１２３】
ここで、ＰＥＭの変調周波数の関数として変化する全ての項は、前記ＤＣ信号に実質的に寄与しないことから省略される。前記したローパス電気フィルタがそのような振動を除去するために用いられる。
【０１２４】
小さな角度近似（ｘが小さいとき、sinx = x および sin2x = 0）内では、VDCは、試料の遅延に依存せず、したがって前記検知器に到達する光強度の平均値を表す。しかしながら、３０ｎｍを越える遅延を有する試料が測定されるとき、式（２３）に示されているように、VDCは、一般的に、遅延の大きさおよび角度の影響を受ける。したがって、測定されたＤＣ信号は平均光強度を正確に表してはいない。この場合、最も簡単な方法は、J0(δ10) およびJ0(δ20)の両者を「０」に設定することである。前記ＤＣ信号は次のようになる。
【０１２５】
【数２９】
0004657105.tif 000031
【０１２６】
この実施例では、ＰＥＭの遅延振幅は、ＤＣ信号の記録のために、δ10 =δ20  =２．４０５ラジアン(０．３８２８波)に選択された。そのようなＰＥＭ設定では、J0(δ10) = J0(δ20) = 0である。したがって、ＤＣ信号は、ρまたはδに依存せず、検知器（２４４または４４４）に到達する光強度の平均値を正確に示す。
【０１２７】
これから理解できるように、この方法では、異なるＰＥＭ設定でＡＣおよびＤＣ信号を記録する必要があり、したがって測定の速さは低い（データポイントあたり約２秒）。この方法は、３０ｎｍを越える線形遅延の正確な測定を提供する。速度が重要であるとき、これに代わる方法を用いることができる。ＡＣ信号が記録される状況下でＤＣ信号がδ10 = δ20 = ０１４３ラジアンで収集されると、ＡＣのＤＣに対する比を用いて測定された試料の遅延特性は、該試料の角度方向に依存する。しかしながら、前記ＤＣ項は式（２３）で定義される。したがって、遅延特性の大きさおよび角度の両方の計算の反復により遅延特性の角度依存を低減することが可能となる。
【０１２８】
光源の揺らぎと、前記試料および他の光学要素からの吸収、反射および散乱とによる光強度の変動の影響を除去するために、ＤＣ信号に対する１ＦのＡＣ信号の比が用いられる。両ＰＥＭのためのＤＣ信号に対するＡＣ信号の比は、式（２５）で表される。
【０１２９】
【数３０】
0004657105.tif 000032
【０１３０】
両ＰＥＭのための補正比として、R1およびR2の定義が求められる。
【０１３１】
【数３１】
0004657105.tif 000033
【０１３２】
最終的に、複屈折の大きさおよびその角度方向が次のように表される。
【０１３３】
【数３２】
0004657105.tif 000034
【０１３４】
ここで、δはラジアンで表されたスカラーである。特定の波長（例えば６３２．８ｎｍ）で測定がなされたとき、ナノメートル単位に遅延を変換する（たとえば６３２．８／（2π）倍する）ことは容易である。
【０１３５】
式（２７）は、線形複屈折の決定でアークサイン関数を用いることにより、特に小さな線形複屈折のために展開されていることは、強調されるべきである。それ故、ここに記載の方法には、光源として６３２．８ｎｍのレーザが用いられるとき、π／２すなわち１５８．２ｎｍの理論的上限が存在する。
【０１３６】
両ＰＥＭ変調周波数での前記信号は前記試料の速軸の方向に依存し（式（２４）参照）、最終的な遅延の大きさは、速軸角度に依存しない（式（２７）参照）。この角度の、遅延の大きさに対する独立性を達成するために、前記装置における全ての光学要素を正確に方向付けることが重要である。また、前記した実施例におけると同様に、高品質の光学要素が用いられている場合であっても、機器自体に存在する残留線形複屈折の矯正（機器補正）は、賢明である。
【０１３７】
式（２７）の前記したところは、基本的には、一般的な意味で提示され、計算時に垂直入射光線「Ｂ１」（図３）からの検出情報が適用できるならば、先に述べた実施例に関連して前記したように同じ計測値δN に対応して、面内遅延測定δNが決定できることは、当業者が理解できるであろう。
【０１３８】
図３の実施例における前記試料の面内複屈折により生じる遅延δNの値は、前記したように、図３の「B２」として示された「斜め」の他方の光線により付与される遅延測定の検出と同時的に用いられる。その光線「B２」は試料２６の表面に斜めに向けられる。したがって、光線「B２」は、前記試料を通過する光線「B２」の（屈折）入射経路に沿って生じる遅延に関連する情報を提供する特性を伴って、前記試料から抜け出る。よって、２つの角度的に分離された光線「B１」、「B２」により提供される情報は、検出され、前記試料２６の面内複屈折に加えて、その試料の面外複屈折を提供すべく処理を受ける。
【０１３９】
以下に述べる点を除いて、斜めソースモジュール３１４および斜め検出モジュール３１６は、垂直ソースモジュール３１０および垂直検出モジュール３１２にそれぞれ匹敵する。したがって、斜めソースモジュール３１４は、垂直ソースモジュール３１０の光源３２２、偏光子３２４およびＰＥＭ３２６と同様に機能する光源４２２、偏光子４２４およびＰＥＭ４２６を含む。同様に、斜め検出モジュール３１６は、垂直検出モジュール３１２のＰＥＭ３２８および検出装置３３２と同様に機能する他のＰＥＭ４２８および検出装置４３２を含む。
【０１４０】
垂直モジュール３１０、３１２と斜めモジュール３１４、３１６との根本的な差違は、該両斜めモジュールが、垂直入射光線「Ｂ１」に関して斜めである図３の角度「Ａ」で試料２６を通過するように伝搬する光線「Ｂ２」を提供し検出するために用いられていることである。この目的のために、斜めソースモジュール３１４は、前記試料内の同一位置を伝搬する角度的に分離された光線「Ｂ１」および「Ｂ２」を生成するように、据え付けられている。図３に示す実施例では、角度「Ａ」が３０度に選択されている。
【０１４１】
垂直検出モジュール３１２および関連する処理の前記したところに従って、当業者は、ロックインアンプ４４０、４４２（図４）に適用されまたコンピュータ９０により処理を受ける検出信号が、斜め光線「Ｂ２」（図３）に影響を及ぼす遅延の計測量 δO （ナノメートル）を生じるであろうことを理解できよう。この情報は、図１および２の実施例に関連して前記したと同様に、前記試料の選択された位置に関連する、望ましくは同時的な面内複屈折および面外複屈折の算出のために、垂直遅延δNの計測値と共に使用される。
【０１４２】
前記した実施例は、２つの分離したソースモジュールおよび対応した２つの分離した検出モジュールを含んでいた。置換例として図５に示すように、単一ソースモジュール５１０を用いることが考えられる。そのような実施例では、ソースモジュール５１０は、垂直ソースモジュール１０のような前記したソースモジュールのうちの一つのソースモジュールの構成要素（光源、ＰＥＭ等）のそれぞれに匹敵するそれらを有するように、構成される。前記ソースモジュールから放射される光線「Ｂ」は、ホルダ２８上の試料に到達する前に分流器（diverter）５１４に入る。前記分流器は、部分反射鏡とすることができ、図５に示されているように、試料上の共通位置で分流器５１４を通過した光線部分「Ｂ１」と交差すべく、ミラー５１８によって試料２６へ戻すように反射される光線「Ｂ２」に転換するために幾らかの光線の方向を変える。したがって、分流器５１４およびミラー５１８は、単一ソースモジュール５１０の光線「Ｂ」から前記試料を通過する２つの互いに角度的に分離された光線「Ｂ１」および「Ｂ２」を生成する。
【０１４３】
前記試料を通過した後、光線「Ｂ１」（図５）は検出モジュール５１２に向けられる。そのモジュール５１２は、面内複屈折に関連する情報を検出するための検出モジュール１２のような、前記した検出モジュールで記載された構成要素（検光子、検知器等）のそれぞれに匹敵するそれらを含む。同様に、光線「Ｂ２」は、試料２６を通過した後、斜め検出モジュール５１６に向けられる。そのモジュール５１６は、また光線「Ｂ２」に付与される斜め角度遅延に関連する情報を検出するための、検出モジュール１６のような、前記した検出モジュールで記載された構成要素（検光子、検知器等）のそれぞれに匹敵するそれらを含む。これまでの例と同様に、垂直および傾斜検出モジュールから集められた情報は、関心のある垂直面の面内および面外複屈折の値へむけての処理を受ける。
【０１４４】
図５の実施例の分流器５１４として、フリップミラー（flip mirror）を用いることができる。これに関して、前記ミラーは、前記ソースモジュール５１０から光線「Ｂ」の経路の内外へ周期的に反転し、これにより前記した検出のための斜め光線「Ｂ２」が生じる。したがって、前記フリップミラーが周期的に光線「Ｂ」の経路から退出するとき、図示のとおり、垂直光線「Ｂ１」が検出モジュール５１２に到達する。前記フリップミラーの動作の周波数は、（光線Ｂ１に影響を及ぼす）面内複屈折と（両光線Ｂ１、Ｂ２からの検出情報で決定される）面外複屈折との両者を実質的に同時に検出し算出するに十分な高速で（適切な往復動のアクチュエータにより規定されるとおり）なされることが好ましい。
【０１４５】
図６は、本発明の他の実施例であり、試料２６を通り抜ける２つの互いに角度的に分離された光線「Ｂ１」および「Ｂ２」を発生するために、図５におけると同様に、単一ソースモジュール６１０と、分流器６１６と、ミラー６１８とが用いられている。本実施例には、前記試料を通り抜けた後の斜め光線「Ｂ２」を反射するための他のミラー６１４が含まれている。反射された光線は収束器（converger）６２０に当たり、該収束器は垂直入射光線Ｂ１の光経路に配置されており、該光経路は単一の検出モジュール６１２に終端する。その検出モジュール６１２は、図３の検出モジュール３１２のような前記した検出モジュールに匹敵する要素を有する。
【０１４６】
収束器６２０は垂直入射光線「Ｂ１」の経路が検出モジュール６１２に達することを可能とし、また同一の検出モジュール６１２による検出のための共通軸に沿って他の光線「Ｂ２」を光線「Ｂ１」に収斂させる。好ましくは、分流器６１６または収束器の少なくとも一方が垂直入射光線「Ｂ」、「Ｂ１」の経路から出入りするフリップミラーである。前記フリップミラーのアクチュエータは、前記コンピュータの制御および監視下にあり、これにより前記装置が収斂経路の光線「Ｂ１」または「Ｂ２」のうちの特定の時間に単一の検出モジュールにあたるいずれかを迅速に決定することが可能となる。
【０１４７】
また、単一の（非分岐）経路に沿って進行する単一ソース光線に関して、試料ホルダを周期的に傾けるように構成することができる。そのような傾斜は、図１に波線で示されているように、試料の傾斜位置への出入りに伴って単一光線が前記した角度的に分離された前記光線の両方を提供するのと同様な機能を果たすことを可能とする。好ましくは、ホルダ２８は、前記光線が前記試料の同一位置を通り抜け、また情報が垂直入射光線（平坦に方向付けられた試料）および傾斜入射光線（傾斜試料）の両方で検出されるように、前記試料を確実に傾斜させるべく配置されかつ動作される。
【０１４８】
前記した傾斜試料ホルダの一実施例が図７に図示されている。そこでは、傾斜試料２３６は、前記したようにソースモジュール１０から出る光線のような光線２２１の固定経路を横切る（ここでは線形のＹ方向）。前記試料２３６は、Ｘ／Ｙステージ試料ホルダ２３４によって徐々に横切り、その結果、前記試料表面の複数の位置にわたる複屈折データが収集される。前記試料ホルダ２３４は、例えば前記光線の相互に異なる多数の入射角での前記試料の複屈折の解析を容易とすべく、前記試料を回転できるように作られている。例えば、図８に示されているホルダ２３４は、試料２３６を整列した枢軸ポスト２４０、２４１の周りに取り付ける。サーボモータ２３５が一方のポストすなわちシャフト２４１に接続され、解析のために前記試料を所望角へ回転させるように前記コンピュータによって操作可能である。一実施例では、前記サーボモータは、シャフト２４１の位置情報を前記コンピュータに提供するエンコーダを備える。サーボモータ２３５は、図８に実線で示される角度方向から破線２４３で示される水平位置に試料２３６を回転させるように、駆動できる。
【０１４９】
ある光応用では、波長の約１５７ナノメートルのような極めて波長の短い光を用いることが望ましく、そのような波長は深紫外あるいはＤＵＶと称されている。それ故、ＤＵＶ光を用いる光学システムすなわち装置に使用される光学要素の特性を正確に決めることは重要である。そのような要素に、例えばスキャナーまたはステッパーのフッ化カルシウム(CaF2)レンズが挙げられる。複屈折すなわちリターダンスは、前記光学要素のそのような一特性である。光学要素のリターダンスは、光学材料および該材料を通り抜ける光の波長についての特性であるので、ＤＵＶ光学装置で使用される光学要素のリターダンスを測定する装置は、ＤＵＶ光信号を正確に検出し、処理するために、ＤＵＶ光源および関連する構成部分で動作しなければならない。
【０１５０】
複屈折測定のような応用へのＤＵＶ光の使用に関連する一つの問題は、装置環境での酸素の、特に、光線経路での出現によるＤＵＶ光の吸収である。これに関し、酸素分子は、（水蒸気または微量炭水化物のような他の汚染物質と同様に）ＤＵＶ光を吸収し、その結果、該光を減衰させ、前記試料の正確な複屈折測定をなすに必要な信号を低下させてしまう。装置環境からの酸素（他の汚染物質と同様に）の除去の一方法は、これを窒素(N2)で装置すなわち光経路から追い出すことである。
【０１５１】
図７の前記した傾斜試料ホルダは、酸素パージ光経路を必要とする装置に使用されるものとして、配慮されている。したがって、本装置には、図７および８に概略的に示されているように、伸縮自在の上方パージガス導出管２５４が設けられている。前記試料下には、同様に伸縮自在の下方パージガス導出管２５６が設けられている。
【０１５２】
前記管２５４、２５６に供給されるガス圧力は、前記管から出るパージガスが前記各管と前記試料表面との間に介在する間隙に正圧を及ぼすように選択され、これによりＤＵＶ光線２２１の光経路へ酸素が侵入することを防止することができる。
【０１５３】
一連の図７（ａ）−図７（ｃ）には、試料２３６が図中左方から右方へ横切るに伴いどのように前記上方ガス導出管２５４が収縮し、また前記下方ガス導出管２５６が伸長するかが示されている。その図から、前記両パージガス導出管の端部は前記試料の表面に近接して維持され、それにより、前記管と前記試料との間に介在する間隙が前記両管から流れ出るパージガスの正圧に保持されることが分かるであろう。
【０１５４】
図８を参照するに、調整可能のパージガス管２５４および２５６は、どのような方法によっても構成できる。一実施例では、伸縮可能の上方管２５４は、試料２３６およびホルダ２３４が内部に存在する通常封止された容積の頂壁１０５から突出して設けられている。供給管２５８は加圧されたパージガスを遠隔供給原から送給する。
【０１５５】
前記上方管２５４の伸張部分２６０は前記管２５４に隣接して取付けられた線形アクチュエータ２６２に接続されている。前記アクチュエータ２６２は、コンピュータの制御下で、接続された伸長部分２６０を図８に矢印２６４で示される２つの反対方向へ伸張および収縮させるべく、動作可能である。下方の伸縮可能な管２５６は、コンピュータ制御を受ける線形アクチュエータ２６３により、同様に伸張され、また収縮される。
【０１５６】
試料ホルダ２３４は、入射光線２２１に関して特定の角度で前記試料２３６を保持するように構成することができる。そのような例では、前記線形アクチュエータは、前記試料の横断に伴って該試料のそれぞれの表面に近接して前記管２５６、２５４の端部が保持されるように制御を受ける。例えば、図７では、前記線形アクチュエータは、該図の左方から右方へ前記試料が横断するに伴って前記上方２５４を徐々に収縮させ、また前記下方管２５６を徐々に伸長させるように、制御を受ける。
【０１５７】
当業者は、前記試料を水平面から傾ける効果が前記試料を伝搬して通り抜ける光線の経路を変更できることにあることを理解するであろう。例えば、図９に示されているように、光学要素すなわち試料４０２（ここでは実線で示されているように水平方向に向けられた試料４０２）に衝突する垂直（すなわち０度の入射角）な光線の「インピンジング」（衝突）経路４００は、前記インピンジング経路４００に軸線が整列する「エマネイティング」（放出）経路に整列して前記試料から出る。したがって、前記光線は、この経路４０４に従い、前記装置の次の光学要素４０６に至る。
【０１５８】
試料４０２が（図９に破線で示されているように）角度θで傾けられている例では、光線のエマネイティング経路４０４は前記インピンジング経路から距離「Ｄ」だけ変位する。この変位「Ｄ」の大きさは、試料の屈折率、厚さおよび傾斜角θの関数である。
【０１５９】
ある複屈折測定装置では、試料を横切る高い空間解像能で複屈折を測定することが望ましい。それ故、小径のビーム寸法および対応する高分解能を達成するために、比較的小さな開口が装置に使用される。例えば、小径開口は前記試料からエマネイティング経路４０４に沿って進行する光線を受ける検知器に近接して配置することができる。
【０１６０】
そのような装置では、試料を傾斜させまた光線のエマネイティング経路４０４に前記した変位「Ｄ」を与えるための機構が使用されており、エマネイティング経路４０４の光学要素が変位されたエマネイティング光線（または少なくともその光線の使用に適した部分）を受けるように、構成されかつ配置されていることは、前記した引き続く信号処理の点で重要である。これを成し遂げる一手法は、光線のインピンジング経路４００にビーム直径寸法の開口を位置させることであり、そのような開口が前記光線の変位による影響を受けないことを保証する。
【０１６１】
また、最大振れ量「Ｄ」を予め決めることができるので、前記光学装置では、エマネイティング光線経路の変位量の如何に拘わらず、変位したエマネイティング光線経路の使用に適した部分を捕獲するに十分な寸法を有する開口をエマネイティング光線経路に設けることができる。これに関し、わずかに発散する光源が好ましい。捕獲された光線の前記した使用に適した部分は、光線全体に比較して極めて低い強度を有するが、この低強度の評価により正確な測定は十分に可能である。例えば、検出された光強度が変動する状況下でのリターダンスの決定には、前記したように検出されたＡＣ（変調された）信号の前記ＤＣ（平均）信号に対する比が用いられる。
【０１６２】
（図７および８に関連して説明したように）前記試料が単一の軸線の周りに傾いているとき、エマネイティング光線経路４０４の変位は実質的に線形であり、単一の軸線方向である。この単一方向変位を考慮して矩形形状の開口を検知器（すなわち該検知器の作用面に向かう）に近接しかつ開口の長辺が前記光線の変位する方向（図７で「Ｙ」軸）に沿った軸線に平行となるように配置して、使用することができる。そのような開口は、望ましくない非平行な光線が検知器に到達する量を制限するのに有用である。
【０１６３】
図３に関連して説明した実施例では、ＰＥＭは試料から出た光線が通る光学要素の一つであり、これにより試料から出た光線は付加的な位相変調を受ける。したがって、図９の要素４０６は次に述べる目的のためのＰＥＭであると考えられる。
【０１６４】
発振ＰＥＭ４０６によりエマネイティング（放出）光線４０４に導入された遅延の大きさは、前記ＰＥＭの光学要素上の所定位置からの前記エマネイティング光線の変位量「Ｄ」に多少依存して変化する。例えば、前記ＰＥＭの光学要素（図９に符号４０８で示されている）が２つのトランスデューサ４１０間に据え付けられ、該両トランスデューサーで駆動されるとき、前記光学要素４０８の中心を通る光線に付与される遅延の大きさは、中心から量「Ｄ」だけ変位した光線に付与される遅延よりもわずかに大きい。
【０１６５】
前記したように、振れの量「Ｄ」は容易に決定され、ＰＥＭ４０６により付与された遅延の変化量は重要であり（「誤差」量）、この誤差を決定し前記した適切な方程式に用いることができる。例えばＰＥＭ光学要素４０８の長さ「Ｌ」（両トランスデューサー４１０間）および光線変位「Ｄ」のために遅延誤差量は比２Ｄ／Ｌの関数になるであろう。
【０１６６】
また、前記誤差は、「Ｄ」の種々の増分に関して実験的に決定することができ、また全般的な信号処理に関連するファームウエアの参照テーブルに蓄積しておくことができると考えられる。前記試料ホルダの角度位置に関する情報（前記したサーボモータおよびエンコーダ装置から生じる）は、現変位「Ｄ」の決定のために制御しているコンピュータで用いることができ、また前記現変位は、これに関連する前記した遅延誤差に至る前記参照テーブルの参照に用いることができる。
【０１６７】
本発明を好適な実施例に関して説明したが、当業者は前記した教示と精神から離れることなく変更することができることを理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】本発明に係る面外複屈折の測定に用いられた好適な光学装置の一実施例を示す図面である。
【図２】図１に示された前記装置の信号処理要素のブロック図である。
【図３】本発明に係る面外複屈折の測定のための他の光学装置を示す他の実施例の図面である。
【図４】図３に示された信号処理要素のブロック図である。
【図５】本発明に係る面外複屈折の測定のための他の光学装置の図面である。
【図６】本発明に係る面外複屈折の測定のためのさらに他の光学装置の図面である。
【図７】傾きすなわち傾斜方向が保持された光学要素からなる試料試料が光線経路に関して移動する実施例を示す３部から成る図面である。
【図８】移動可能の傾斜試料に関してパージガス導出管の動きを示す図７の実施例を拡大して詳細を示す図である。
【図９】光学要素の傾斜および前記試料の光線経路に生じるその影響を示す図面である。
【符号の説明】
【０１６９】
１０、３１０  垂直ソースモジュール
１２、３１２、５１２、６１２  垂直検出モジュール
１４、３１４  斜めソースモジュール
１６、３１６、５１６  斜め検出モジュール
２０、２２０、３２２、４２２  光源
２２、２２２、３２４、４２４  偏光子
２４  光学要素
２５、２２５、３２６、３２８、４２６、４２８  光弾性変調器（ＰＥＭ）
２６、２３６  試料
２８、２３４  試料ホルダ
３０、２３０  ビーム分割ミラー
３２、５０、２３２、２５０、３３２、４３２  検出装置
４２、７４、３３０、４３０  検光子
４４、７６、３４４、４４４  検知器（フォトダイオード）
７７  フィルタ
８４  制御器
８０、２８０、３４０、３４２、４４０、４４２  ロックインアンプ
９０  コンピュータ
５１０、６１０  単一ソースモジュール
５１２  単一検出モジュール
５１４、６１６  分流器
５１８、６１８  ミラー
６２０  収束器
【図１】
0004657105.tif 000035
【図２】
0004657105.tif 000036
【図３】
0004657105.tif 000037
【図４】
0004657105.tif 000038
【図５】
0004657105.tif 000039
【図６】
0004657105.tif 000040
【図７】
0004657105.tif 000041
【図８】
0004657105.tif 000042
【図９】
0004657105.tif 000043