(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射型の偏光分離回折素子であって、
基板と、
前記基板の表面に形成された反射面と、
前記反射面上に設けられた構造複屈折（Δｎ＊）を示す格子状構造体と、を備え、
前記格子状構造体は、それぞれ異なる方位角の格子状構造を有する複数パターンの格子状構造体からなり、
前記格子状構造の方位角が構造周期的に変化するように、これら複数パターンの格子状構造体が前記反射面上を所定方向に並んでいる、
ことを特徴とする反射型の偏光分離回折素子。
【請求項２】
請求項１記載の反射型の偏光分離回折素子において、
前記基板の表面は、前記所定方向に沿って階段状に形成され、
当該階段状の形状に合わせて、前記複数パターンの格子状構造体も階段状に設けられ、
前記方位角の構造周期的な変化に合わせて、前記基板の表面の階段状の形状が繰り返されていることを特徴とする反射型の偏光分離回折素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の反射型の偏光分離回折素子において、
前記反射面および前記格子状構造体が、前記基板の両方の表面に形成されていることを特徴とする反射型の偏光分離回折素子。
【請求項４】
反射型の偏光分離回折素子であって、
基板と、
前記基板の表面に形成された構造複屈折（Δｎ＊）を示す格子状凹凸構造体と、を備え、
前記格子状凹凸構造体の凹凸面は、反射面であり、
前記格子状凹凸構造体は、それぞれ異なる方位角の格子状凹凸構造を有する複数パターンの格子状凹凸構造体からなり、
前記格子状凹凸構造の方位角が構造周期的に変化するように、これら複数パターンの格子状凹凸構造体が前記基板の表面上を所定方向に並んでいる、
ことを特徴とする反射型の偏光分離回折素子。
【請求項５】
請求項４記載の反射型の偏光分離回折素子において、
前記基板の表面は、前記所定方向に沿って階段状に形成され、
当該階段状の形状に合わせて、前記複数パターンの格子状凹凸構造体も階段状に形成され、前記方位角の構造周期的な変化に合わせて、前記基板の表面の階段状の形状が繰り返されていることを特徴とする反射型の偏光分離回折素子。
【請求項６】
請求項４または５記載の反射型の偏光分離回折素子において、
前記格子状凹凸構造体および前記反射面が、前記基板の両方の表面に形成されていることを特徴とする反射型の偏光分離回折素子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の反射型の偏光分離回折素子と、
前記反射型の偏光分離回折素子に向けて測定光を入射させる入射光学手段と、
前記反射型の偏光分離回折素子によって回折された反射光のうちの、少なくとも１以上の特定方向の光を検出する検出光学手段と、を備え、
前記入射光学手段または前記検出光学手段の光路上に置かれた被測定物の光学特性を測定することを特徴とする光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型の偏光分離回折素子に関し、また、これを備えた二色性測定装置や複屈折測定装置などの光学測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物の複屈折の測定法としてクロスニコル法があるが、偏光子と検光子を測定対象物に対して相対的に回転させる必要があった。これに対し、特許文献１記載の透過型の偏光分離回折格子を利用した複屈折測定装置は、上記のような回転機構が不要になるという点で注目されている。【０００３】
透過型の偏光分離回折格子では、その入射面へ右円偏光が入射すると、反対側の出射面から＋１次回折光の方向に右円偏光が現れる。また、入射光が左円偏光である場合は、反射面から−１次回折光の方向に左円偏光が現れる。言い換えると、透過型の偏光分離回折格子は、右円偏光と左円偏光を±１次回折光の方向に振り分ける、という特性を有する。特許文献１の図３は、偏光分離回折格子への入射光の偏光状態（楕円率tan-1(b/a)）を様々に変化させた場合の、±１次回折光の各強度をプロットしたグラフである。【０００４】
入射光が右円偏光（楕円率＝+45°）に近い楕円偏光（楕円率＝+15°, +30°）である場合は、−１次回折光よりも＋１次回折光の強度が大きくなる。【０００５】
逆に、入射光が左円偏光（楕円率＝-45°）に近い楕円偏光（楕円率＝-15°, -30°）である場合は、−１次回折光の強度の方が＋１次回折光よりも大きくなる。【０００６】
入射光が直線偏光（楕円率＝0°）である場合は、±１次回折光の各強度が等しくなる。直線偏光は、位相のそろった左右の円偏光が重なったものと言えるので、透過型の偏光分離回折格子によって、直線偏光の右円偏光成分が＋１次回折光の方向に振り分けられ、直線偏光の左円偏光成分が−１次回折光の方向に振り分けられると言える。【０００７】
特許文献１の複屈折測定装置において、右円偏光が測定対象物を透過すると、測定対象物の複屈折性に応じて、右円偏光の偏光状態（楕円率）が変化する。その透過光が偏光分離回折格子に入射すると、透過光の偏光状態に応じた±１次回折光の各強度が検出される。従って、２つの強度検出値のバランスから、透過光の偏光状態（楕円率）が分かり、結果として、測定対象物の複屈折を知ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０３１５６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のような偏光分離回折格子の開発は、透過型の偏光分離回折格子について進められてきたが、反射型の偏光分離回折格子については開発されていなかった。理由の１つとして、透過型の偏光分離回折格子が、構造複屈折（Δｎ＊）と呼ばれる周期的な微細溝構造を有し、これを透過する光に位相差を与え、さらに回折光を生じさせるという特性を持つため、これをベースに反射型の偏光分離回折格子を構成しようとしても、反射特性の付与によってどのような特性になるのか、具体的なメカニズムが判明していなかったことが挙げられる。【００１０】
一方、発明者らは、反射型の偏光分離回折格子は、これを利用した各種測定装置の光路配置の縮小化に極めて有利であり、各種測定装置の小型化に非常に貢献すると考えた。【００１１】
本発明の目的は、反射型の偏光分離回折素子の具体的なメカニズムを解明し、各種の測定装置の小型化に適した反射型の偏光分離回折格子を提供すること、および、これを用いた光学測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち、本発明に係る反射型の偏光分離回折素子は、
基板と、
前記基板の表面に形成された反射面と、
前記反射面上に設けられた構造複屈折（Δｎ＊）を示す格子状構造体と、を備え、
前記格子状構造体は、それぞれ異なる方位角の格子状構造を有する複数パターンの格子状構造体からなり、
前記格子状構造の方位角が構造周期的に変化するように、これら複数パターンの格子状構造体が前記反射面上を所定方向に並んでいる、ことを特徴とする。【００１３】
この構成によれば、反射面上に、複数パターンの格子状構造体がある規則性をもって並んでいる。そのため、入射光には、まず、複数パターンの格子状構造体を透過する際に、格子状構造体による「位相の付与」が生じ、同時に、パターンの構造周期的な変化による「回折光の方向の違い」が生じる。このような特性を「Ｔ（ｘ）」で表す。【００１４】
次に、その透過光には、反射の際の反射面における「複素屈折率」の影響が生じる。このような特性を「ＲＭ」で表す。【００１５】
その反射光は、複数パターンの格子状構造体を透過するので、上記の特性「Ｔ（ｘ）」による影響を再び受ける。【００１６】
このように、本発明の反射型の偏光分離回折素子は、「Ｔ（ｘ）・ＲＭ・Ｔ（ｘ）」で表される特性を有していると言える。発明者らは、この行列モデルによる計算の結果、本発明の反射型の偏光分離回折素子によって、入射光に含まれていた右円偏光の成分が＋１次回折光の方向に振り分けられ、左円偏光の成分が−１次回折光の方向に振り分けられることを証明することができた。従って、本発明の反射型の偏光分離回折素子を用いれば、±１次回折光となった各反射光の強度に基づいて、入射光の偏光状態を知ることができる。【００１７】
さらに、このような特性の反射型の偏光分離回折素子を用いれば、円二色性測定装置や複屈折測定装置などの測定装置を非常にコンパクトにすることができる。【００１８】
また、前記基板の表面は、前記所定方向に沿って階段状に形成され、
当該階段状の形状に合わせて、前記複数パターンの格子状構造体も階段状に設けられ、
前記方位角の構造周期的な変化に合わせて、前記基板の表面の階段状の形状が繰り返されていることが好ましい。【００１９】
また、前記反射面および前記格子状構造体は、前記基板の両方の表面に形成されていることが好ましく、反射型の偏光分離回折素子を反転使用することができる。【００２０】
本発明に係る反射型の偏光分離回折素子は、
基板と、
前記基板の表面に形成された構造複屈折（Δｎ＊）を示す格子状凹凸構造体と、を備え、
前記格子状凹凸構造体の凹凸面は、反射面であり、
前記格子状凹凸構造体は、それぞれ異なる方位角の格子状凹凸構造を有する複数パターンの格子状凹凸構造体からなり、
前記格子状凹凸構造の方位角が構造周期的に変化するように、これら複数パターンの格子状凹凸構造体が前記基板の表面上を所定方向に並んでいる、ことを特徴とする。【００２１】
この構成によれば、複数パターンの格子状凹凸構造体がある規則性をもって並んでおり、かつ、その凹凸面が反射面にもなっている。そのため、入射光が凹凸面を反射する際に、反射面における「複素屈折率」の影響が生じる。このような特性を「ＲＭ」で表す。【００２２】
また、その反射光には、複数パターンの格子状凹凸構造体による「位相の付与」が生じるとともに、パターンの構造周期的な変化による「回折光の方向の違い」が生じる。このような特性を「Ｔ（ｘ）」で表す。【００２３】
このように、本発明の反射型の偏光分離回折素子は、「ＲＭ・Ｔ（ｘ）」で表される特性を有していると言える。発明者らは、この行列モデルによる計算の結果、本発明の反射型の偏光分離回折素子によって、入射光に含まれていた右円偏光の成分が＋１次回折光の方向に振り分けられ、左円偏光の成分が−１次回折光の方向に振り分けられることを証明することができた。従って、本発明の反射型の偏光分離回折素子を用いれば、±１次回折光となった各反射光の強度に基づいて、入射光の偏光状態を知ることができる。【００２４】
さらに、このような特性の反射型の偏光分離回折素子を用いれば、円二色性測定装置や複屈折測定装置などの測定装置を非常にコンパクトにすることができる。【００２５】
また、前記基板の表面は、前記所定方向に沿って階段状に形成され、
当該階段状の形状に合わせて、前記複数パターンの格子状凹凸構造体も階段状に形成され、前記方位角の構造周期的な変化に合わせて、前記基板の表面の階段状の形状が繰り返されていることが好ましい。【００２６】
また、前記格子状凹凸構造体および前記反射面は、前記基板の両方の表面に形成されていることが好ましく、反射型の偏光分離回折素子を反転使用することができる。【００３１】
本発明に係る光学測定装置は、
上記いずれかの反射型の偏光分離回折素子と、
前記反射型の偏光分離回折素子に向けて測定光を入射させる入射光学手段と、
前記反射型の偏光分離回折素子によって回折された反射光のうちの、少なくとも１以上の特定方向の光を検出する検出光学手段と、を備え、
前記入射光学手段または前記検出光学手段の光路上に置かれた被測定物の光学特性を測定することを特徴とする。【００３２】
以上のように、反射型の偏光分離回折素子を用いれば、光路のレイアウトの縮小化が容易となり、円二色性測定装置や複屈折測定装置などの光学測定装置を非常にコンパクトにすることができる。特に、円二色性測定装置においては、反射型の偏光分離回折素子への入射光に含まれている左右の円偏光成分が、±１次回折光の方向に振り分けられるため、２つの円偏光成分を「同時に」検出することができる。従って、円二色性測定の時間短縮を大幅に行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】（Ａ）は、第一実施形態に係る反射型の偏光分離回折格子の全体構造図であり、（Ｂ）は、前記反射型の偏光分離回折格子を正面から見た図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｆ）は、偏光分離回折格子を正面から見た図であり、片面に格子状構造体が形成された偏光分離回折格子のバリエーションを示す図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｆ）は、偏光分離回折格子を正面から見た図であり、両面に格子状構造体が形成された偏光分離回折格子のバリエーションを示す図である。
【図４】第二実施形態に係るブレーズド構造の反射型の偏光分離回折格子の正面図であり、および、その一部についての平面図である。
【図５】参考形態に係る反射型の偏光分離回折素子に利用可能な液晶型の複屈折性構造体を立体的に示す図である。
【図６】（Ａ）は第四実施形態に係る光学測定装置の全体構成図であり、（Ｂ）は第五実施形態に係る光学測定装置の全体構成図である。
【図７】（Ａ）は第六実施形態に係る光学測定装置の全体構成図であり、（Ｂ）は第七実施形態に係る光学測定装置の全体構成図である。
【図８】（Ａ）は第八実施形態に係る光学測定装置の全体構成図であり、（Ｂ）は第九実施形態に係る光学測定装置の全体構成図である。
【図９】第十実施形態に係る光学測定装置の全体構成図である。
【図１０】（Ａ）は第十一実施形態に係る円二色性測定装置の全体構成図であり、（Ｂ）はその検出信号からＣＤ信号を算出する信号処理手段を示す図である。
【図１１】偏光分離回折格子の特性グラフを示し、透過型よりも反射型の偏光分離回折格子の方が、偏光状態の検出感度が向上することを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、図面を用いて本発明の反射型の偏光分離回折素子および光学測定装置の構成について順番に説明する。図１（Ａ）は、第一実施形態に係る反射型の偏光分離回折格子の全体構造図であり、図１（Ｂ）は、前記反射型の偏光分離回折格子を正面から見た図である。
【００３５】
反射型の偏光分離回折格子は、金属材料からなる基板１と、基板１の表面に形成された反射面２と、反射面２上に設けられた構造複屈折（Δｎ＊）を示す格子状構造体３と、を備える。
【００３６】
格子状構造体３は、それぞれ異なる方位角（０°，＋４５°，＋９０°および＋１３５°）の格子状構造を有する複数パターンの格子状構造体（３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび３Ｄ）からなり、格子状構造の方位角が構造周期的に変化するように、これら複数パターンの格子状構造体（３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび３Ｄ）が反射面２上をＸ軸方向に並んでいる。このとき、格子状構造の方位角のＸ軸方向に並ぶ構造周期は、図のように不連続であっても、また連続的であってもよい。例えば、液晶などで、三角関数的に連続的な構造周期を実現することもできる。
【００３７】
本実施形態では、各パターンの格子状構造は平行溝からなる。つまり、透光性誘電体の複数の格子部材４が、例えば100nmの等間隔ピッチで平行に並んでいる。格子部材４のピッチについては、使用する測定光（紫外光から赤外光まで）の波長の半分以下のピッチにするとよい。また、各パターンの格子状構造におけるＸ軸方向の幅は、1μmとするが、これについても、概ね0.5〜2μmの範囲内とする。本発明の格子状構造の高さｈ、ここでは、図１（Ｂ）に示す溝の深さに相当するが、高さｈは100nm以上、好ましくは300nm以上である。高さｈについては、使用する測定光の波長の半分以上の高さが好ましい。
【００３８】
本書では、格子部材４の長手方向を「方位角」と呼び、パターン３Ａの格子状構造の方位角（０°）を基準として、パターン３Ｂの方位角が＋４５°であり、パターン３Ｃの方位角が＋９０°であり、パターン３Ｄの方位角が＋１３５°である。なお、格子部材４は、どのパターンも同じ形状であり、同じように並んでいるが、方位角だけがパターン毎に異なっている。
【００３９】
図１では、格子状構造の方位角が０°→＋４５°→＋９０°→＋１３５°→０°の順になるという合計４パターンの格子状構造の構造周期（Λ）の例を示したが、３パターンでも５パターン以上にしてもよい。また、構造周期Λが繰り返すように並べてもよい。
【００４０】
図２（Ａ）〜（Ｆ）は、偏光分離回折格子を正面から見た図であり、片面に格子状構造体が形成された偏光分離回折格子のバリエーションを示す図である。反射面２を形成する部材に、実線のハッチングを付けた。
【００４１】
図２（Ａ）は、基板１ａの表面に金属膜２ａが形成され、金属膜２ａ上に格子部材４が並んでいる。図２（Ｂ）は、金属製の基板１の反射面２上に、透光性誘電体からなる凹凸構造４ａが形成されている。図２（Ｃ）は、凹凸構造ではなく、屈折率の異なる２種類の透光性誘電体（４ｂ，４ｃ）を交互に配置して構成された格子状構造体が、基材１上に設けられている。図２（Ｄ）は、基材１上に図２（Ｃ）と同様の格子状構造体が設けられており、さらに、その上に、一方の透光性誘電体４ｄの層が形成されている。つまり、回折格子の内部に、格子状構造体が設けられている。
【００４２】
図２（Ｅ）は、金属製の基材１１の表面が凹凸状に形成され、凹凸の表面が反射面になっている。つまり、図２（Ｅ）の反射型の偏光分離回折格子は、基板１１と、基板１１の表面に形成された構造複屈折（Δｎ＊）を示す格子状凹凸構造体１２と、を備える。格子状凹凸構造体１２の凹凸面が反射面であり、格子状凹凸構造体１２は、それぞれ異なる方位角の格子状凹凸構造を有する複数パターンの格子状凹凸構造体からなり、格子状凹凸構造の方位角が構造周期的に変化するように、これら複数パターンの格子状凹凸構造体が基板１１の表面上を所定方向に並んでいる。なお、図２（Ｅ）において、基材１１として、透光性誘電体を積層して凹凸状に構成したものを用いてもよい。図２（Ｆ）は、基材１１ａの表面が、図２（Ｅ）と同様に凹凸状に形成されているが、その凹凸の表面に、金属膜１２ａが形成されている。
【００４３】
図３（Ａ）〜（Ｆ）は、偏光分離回折格子を正面から見た図であり、両面に格子状構造体が形成された偏光分離回折格子のバリエーションを示す図である。図２（Ａ）〜（Ｆ）と共通する符号については同じ符号を付した。
【００４４】
以下、数式を用いて、本実施形態の反射型の偏光分離回折格子の光学的特性を説明する。
【００４５】
＜従来の透過型の偏光分離回折素子＞
最初に、従来の透過型の偏光分離回折素子の場合を述べる。透過型の偏光分離回折素子は、構造複屈折（Δｎ＊）、構造高さｈ、および構造周期（Λ）を有する格子状構造からなり、任意の偏光が入射するときに、それを右円偏光と左円偏光に分離し、それぞれ＋１次と−１次の方向に回折させる特性を有する。
【００４６】
従来の透過型の偏光分離回折素子の特性を表現する２×２行列（ジョーンズマトリクス）は次のように書ける。
【００４７】
【数１】
0006896262.tif 000002
【００４８】
式（１）の意味は、入射光の速軸方向成分に＋ζの位相を与え、遅軸方向成分に−ζの位相を与え、かつ、素子の速軸の方位角が、入射光の光軸に対して−ｋｘ／２のように変化する（ｘ＝Λで１８０°回転する）ことを意味している。
【００４９】
ここで、入射光Ｅｉｎとして右回り円偏光が素子に入射することを考えると、Ｔ（ｘ）・Ｅｉｎは、以下のようになる。
【００５０】
【数２】
0006896262.tif 000003
【００５１】
逆に、左周り円偏光が素子に入射することを考えると、Ｔ（ｘ）・Ｅｉｎは、以下のようになる。
【００５２】
【数３】
0006896262.tif 000004
【００５３】
ここで、任意の偏光は左右円偏光の重ね合わせで表すことができるので、右円偏光の振幅をａ、左円偏光の振幅をｂと書くと、下式のようになる。ここで、ａ、ｂはａ２＋ｂ２＝１の関係を満たすように定める。
【００５４】
【数４】
0006896262.tif 000005
【００５５】
したがって、式（２）、式（３）を参考に、式（４）を用いて、Ｔ（ｘ）・Ｅｉｎを求めると以下のようになる。
【００５６】
【数５】
0006896262.tif 000006
【００５７】
ここで、ｍ次の回折光ベクトルＤｍは以下の式で表される。
【００５８】
【数６】
0006896262.tif 000007
【００５９】
式（５）を式（６）に代入し計算を行うと、偏光分離回折素子に任意の偏光が入射した場合の回折光のベクトルとして、以下が求められる。
【００６０】
【数７】
0006896262.tif 000008
【００６１】
ここで、式（８）から、＋１次回折光が、振幅ｂ・ｓｉｎζの右回り円偏光であり、式（９）から、−１次回折光が、振幅ａ・ｓｉｎζの左回り円偏光であることが分かる。回折光強度ηｍは、ηｍ＝｜Ｄｍ｜２／｜Ｅｉｎ｜２で与えられ、式（４）から、｜Ｅｉｎ｜２＝１であるから、
【００６２】
【数８】
0006896262.tif 000009
と求められる。
【００６３】
したがって、η±１の強度を測定すれば、式（１３）の関係から、入射光の楕円率（ｅ＝ｂ／ａ）、または、ストークスパラメータ＜Ｓ３＞を求めることができる。
【００６４】
【数９】
0006896262.tif 000010
【００６５】
後述する図６（Ｂ）や図１０に示されているように、Ｓ／Ｎ向上のために、特定の周波数で回折格子等の光学素子を回転させることも有効な手段の１つである。光学素子が回転する場合のトランスファマトリクスＴ（ｘ）は、以下のようになる。式（１４）のＴ（ｘ）は、上述の式（１）のＴ（ｘ）に、角度θの回転行列Ｒ（θ）を前から掛けて、角度−θの回転行列Ｒ（−θ）を後ろから掛けたものである。
【００６６】
【数１０】
0006896262.tif 000011
【００６７】
まず、右回り円偏光が素子に入射することを考えると、Ｔ（ｘ）・Ｅｉｎは以下のようになる。
【００６８】
【数１１】
0006896262.tif 000012
【００６９】
同様に、左回り円偏光が素子に入射することを考えると、Ｔ（ｘ）・Ｅｉｎは以下のようになる。
【００７０】
【数１２】
0006896262.tif 000013
【００７１】
ここで、式（４）同様、任意の偏光を左右円偏光の重ね合わせ（右円偏光の振幅をａ、左円偏光の振幅をｂ：ａ２＋ｂ２＝１：下式）と書いて、Ｔ（ｘ）・Ｅｉｎを求めると以下のようになる。
【００７２】
【数１３】
0006896262.tif 000014
【００７３】
【数１４】
0006896262.tif 000015
【００７４】
式（６）の通り、ｍ次の回折光ベクトルＤｍは以下の式で表される。
【００７５】
【数１５】
0006896262.tif 000016
【００７６】
したがって、回転する偏光分離回折素子に任意の偏光が入射した場合の回折光のベクトルは以下のように求められる。
【００７７】
【数１６】
0006896262.tif 000017
【００７８】
ここで、式（１９）から、＋１次回折光が、振幅ｂ・ｓｉｎζ・ｅｉ２θの右回り円偏光であり、式（２０）から、−１次回折光が、振幅ａ・ｓｉｎζ・ｅ−ｉ２θの左回り円偏光であることが分かる。回折光強度ηｍは、ηｍ＝｜Ｄｍ｜２／｜Ｅｉｎ｜２で与えられ、式（４）から、｜Ｅｉｎ｜２＝１、また、
【００７９】
【数１７】
0006896262.tif 000018
であるから、式（２１）〜（２３）のように、式（１０）〜（１２）と同一の結果が得られる。
【００８０】
【数１８】
0006896262.tif 000019
と求められる。したがって、η±１の強度を測定すれば、式（１３）の関係から、入射光の楕円率（ｅ＝ｂ／ａ）、または、ストークスパラメータ＜Ｓ３＞を求めることができる。
【００８１】
＜反射型の偏光分離回折素子＞
上記の透過型回折格子（偏光分離回折素子）の特性の考え方に基づき、次のようなアレンジによって、レイアウト上は、反射配置で機能する偏光分離回折素子としての利用が可能になる。以下、反射型の偏光分離回折素子の機能について、透過型素子との差異を含めて説明する。
【００８２】
（Ａ）透明誘電体の構造の直下に反射金属面を設けるケース：
金属面（例えば、図２（Ａ）の偏光分離回折格子の金属膜２ａ）に０°（垂直）で入射する光の反射を表すトランスファマトリクスを以下のように書く。
【００８３】
【数１９】
0006896262.tif 000020
ここで、ｎ//＊、ｎ⊥＊は透明誘電体（格子部材４）の複素屈折率の各成分（構造に平行な方向と垂直な方向）であり、ｎＭ＊は金属の複素屈折率である。
【００８４】
ｍ次の回折光ベクトルＤ’ｍは以下の式で表される。
【００８５】
【数２０】
0006896262.tif 000021
【００８６】
ここで、（Ａ）「透明誘電体の構造の直下に反射金属面を設けた偏光分離回折素子」での光の伝搬を考えると、「素子透過Ｔｉｎ（ｘ）」→「金属反射ＲＭ」→「素子透過Ｔｏｕｔ（ｘ）」であるので、Ｔ’（ｘ）は次式で与えられる。
【００８７】
【数２１】
0006896262.tif 000022
【００８８】
したがって、式（４）同様、任意の偏光を左右円偏光の重ね合わせ（右円偏光の振幅をａ、左円偏光の振幅をｂ：ａ２＋ｂ２＝１）として、Ｔ’（ｘ）・Ｅｉｎを求めると以下のようになる。
【００８９】
【数２２】
0006896262.tif 000023
【００９０】
式（２５）に式（２７）を代入し、それぞれのＤ’ｍ、η’ｍについて求めると、まず、０次光は、
【００９１】
【数２３】
0006896262.tif 000024
となり、０次回折光の偏光状態は、入射光と同じであることが確認できる。また、０次光の回折効率は、次式になる。
【００９２】
【数２４】
0006896262.tif 000025
【００９３】
次に、＋１次回折光のベクトルは、
【００９４】
【数２５】
0006896262.tif 000026
となり、＋１次回折光の偏光状態は、右円偏光に左円偏光が重ね合わされたものであることが確認できる。また、回折効率は以下のようになる。
【００９５】
【数２６】
0006896262.tif 000027
【００９６】
また、−１次光のベクトルは、
【００９７】
【数２７】
0006896262.tif 000028
となり、−１次回折光の偏光状態は、左円偏光に右円偏光が重ね合わされたものであることが確認できる。また、回折効率は以下のようになる。
【００９８】
【数２８】
0006896262.tif 000029
【００９９】
したがって、η±１の強度を測定すれば、透過型素子の場合と同様に、下記の式（３４）の関係から、入射光の楕円率（ｅ＝ｂ／ａ）、または、ストークスパラメータ＜Ｓ３＞を求めることができると考えられる。ただし、その算出には、金属層と位相付与層の特性値である ｒＴＥ、ｒＴＭ、ζが必要となる。
【０１００】
【数２９】
0006896262.tif 000030
【０１０１】
（Ｂ）格子状構造体の構造が金属で形成されているケース：
さらに、格子状構造体の構造が金属で形成されているケース（例えば、図２（Ｅ）の格子状凹凸構造体１２）を考えて見る。（Ｂ）の素子での光の伝搬を考えると、「凹凸による位相付与」→「金属反射」であるので、Ｔ’’（ｘ）は次式で与えられる。
【０１０２】
【数３０】
0006896262.tif 000031
【０１０３】
したがって、（Ａ）のケース同様、任意の偏光が素子に入射する場合のＴ’’（ｘ）・Ｅｉｎを求めると以下のようになる。
【０１０４】
【数３１】
0006896262.tif 000032
【０１０５】
式（３６）を用いて、それぞれのＤ’ｍ、η’ｍについて求めると、まず０次光は、
【０１０６】
【数３２】
0006896262.tif 000033
となり、０次回折光の偏光状態は、入射光と同じであることが確認できる。また、０次光の回折効率は、以下の式で示される。
【０１０７】
【数３３】
0006896262.tif 000034
【０１０８】
次に、＋１次回折光のベクトルは、
【０１０９】
【数３４】
0006896262.tif 000035
となり、＋１次回折光の偏光状態は、右円偏光であることが確認できる。また、回折効率は以下のようになる。
【０１１０】
【数３５】
0006896262.tif 000036
【０１１１】
−１次光のベクトルと回折効率は、
【０１１２】
【数３６】
0006896262.tif 000037
となり、−１次回折光の偏光状態は、左円偏光であることが確認できる。また、回折効率は以下のようになる。
【０１１３】
【数３７】
0006896262.tif 000038
【０１１４】
したがって、η±１の強度を測定すれば、（Ｂ）の素子の場合も、透過型素子の場合と同様に、式（１３）の関係から、入射光の楕円率（ｅ＝ｂ／ａ）、または、ストークスパラメータ＜Ｓ３＞を求めることができる。
【０１１５】
以上の式（１）〜式（４２）による説明から、
（１）透明誘電体で作製された偏光分離回折素子に偏光を入射すると、その透過回折光は、右円偏光（＋１次回折光）と左円偏光（−１次回折光）に分離されるため、±１次回折光の強度を測定すれば、入射光の楕円率、および、左右円偏光の振幅の差を表すストークスパラメータ＜Ｓ３＞を求めることができる。ただし、その特性は素子を回転しても変わらない。このことは、素子の回転に同期させたロックイン検出を行えば、Ｓ／Ｎのさらなる向上を期待できるが、素子の回転によって得られる情報の種類が増えることはないことを意味する。その意味では素子を回転させるのではなく、単に入射光をチョッピングすることでも、同様の効果が得られる。
【０１１６】
（２）金属薄膜上に透明誘電体の微細構造を付与した素子、もしくは、金属薄膜上に微細構造を直接加工した素子を反射型素子として用いる場合も、上述（１）の透過型素子の場合と同じように、±１次回折光の強度を測定する方法で、入射光の楕円率、および、ストークスパラメータ＜Ｓ３＞を求めることができる。
【０１１７】
（３）上述（２）の反射型素子の場合にも、素子の回転に同期させたロックイン検出を行えば、Ｓ／Ｎのさらなる向上を期待できる。素子を回転させるのではなく、単に入射光をチョッピングすることでも、同様の効果が得られる。
【０１１８】
図４は、第二実施形態に係るブレーズド構造の反射型の偏光分離回折格子の全体構造図であり、その正面図および部分的な平面図である。
【０１１９】
本実施形態の偏光分離回折格子は、図１の偏光分離回折格子と同様に、金属材料からなる基板１３と、基板１３の表面に形成された反射面と、反射面上に設けられた構造複屈折（Δｎ＊）を示す４パターンの格子状構造体（３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび３Ｄ）と、を備える。つまり、図４の上方の平面図に示すように、この偏光分離回折格子の格子面には、図１の偏光分離回折格子と同様に、４パターンの格子状構造体（３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび３Ｄ）がＸ軸方向に周期的に配列されている。
【０１２０】
一方、図１の偏光分離回折格子と異なる点は、図４の下方の平面図に示すように、基板１３の表面が、Ｘ軸方向に沿って、４ステップ分の階段状に形成されており、各ステップに、それぞれ異なるパターンの格子状構造体（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ又は３Ｄ）が、設けられていることである。このように、本実施形態では、４パターンの格子状構造体（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ又は３Ｄ）が、基板１３の表面の階段状構造に合わせて、階段状に形成されている。
【０１２１】
そして、４ステップからなる階段状構造を１ユニットとする偏光分離回折格子が、Ｘ軸方向に平面状に繰り返し並べられることによって、全体としてブレーズド構造を有する反射型の偏光分離回折格子が形成されている。言い換えると、本実施形態の反射型の偏光分離回折格子は、４パターンの格子状構造体（３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび３Ｄ）の方位角の構造周期的な変化に合わせて、基板１３の表面の階段状構造が繰り返して生じるように、形成されている。
【０１２２】
なお、格子状構造の高さｈ（溝の深さ）は、どのパターンの格子状構造体（３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび３Ｄ）も同じである。
【０１２３】
本実施形態における反射面２は、図１の構造に限られず、図２に示すような様々な構造を適用することができる。また、図４では、それぞれの基板１３の入射側の面が階段状に形成され、基板１３の底面が一平面になっているが、これに限られず、階段状の格子状構造体（３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび３Ｄ）を、図３に示すように、基板１３の両面に形成してもよい。
【０１２４】
本実施形態の反射型の偏光分離回折格子によれば、そのブレーズド構造によって、０次回折光を弱めて、＋１次（または−１次）などの所望の回折次数の回折光強度を増強させることができる。従って、このような反射型の偏光分離回折格子を備えた測定装置を用いれば、より微弱な信号の検出が可能となって、検出信号のＳＮ比率を高めることができる。
【０１２５】
図５は、参考形態に係る反射型の偏光分離回折素子に利用可能な液晶型の複屈折性構造体を立体的に示した図である。
【０１２６】
参考形態の反射型の偏光分離回折素子は、図示しないが、基板と、基板表面に形成された反射面と、この反射面上を所定方向に並べられた複数の液晶型の複屈折性構造体５１と、を備える。
【０１２７】
液晶型の複屈折性構造体５１は、図５に示すような板状であり、表裏のいずれかの面（Ｘ−Ｙ平面）に反射面が形成されている。この複屈折性構造体５１は、１つのセグメント内に配置された多数の液晶分子（複屈折性部位とも呼ぶ。）を有し、それぞれの液晶分子の複屈折の光学軸の向きが、反射面に平行な面内を連続的に３６０度変化するように、液晶分子がＸ軸方向に沿って並んでいる。ここで、光学軸の向きは、液晶分子の分子配向の向きを示しており、複屈折性構造体５１の分子配向の周期的な変化が、図１のような格子状構造の構造周期（Λ）の２倍になっている。
【０１２８】
図中の記号は、液晶分子の光学軸の向きを示している。Ｘ軸方向に沿って説明すると、セグメント内の液晶分子の光学軸の向きは、Ｘ軸の左端の領域でＹ軸の正方向（上向き）を向いており、Ｘ軸の中央でＹ軸の負方向（下向き）を向いており、Ｘ軸の右端の領域で再びＹ軸の正方向（上向き）を向いている。つまり、セグメントの両端での液晶分子は、同じ方向を向いている。
【０１２９】
なお、Ｘ軸に垂直なＹ−Ｚ平面内に分布している液晶分子の光学軸は、どれも同じ方向を向いている。
【０１３０】
そして、Ｘ軸の左端から中央までの領域では、光学軸の向きが、上向きから下向きまで連続的に変化している。続けて、Ｘ軸の中央から右端までの領域では、光学軸の向きが、下向きから上向きまで連続的に変化している。複屈折性構造体５１の厚みｄは、数マイクロメートルから数十マイクロメートルまでの範囲にある。
【０１３１】
複屈折性構造体５１の単体での特性としては、図５のように、裏面からの入射光が、複屈折性構造体５１を透過することによって、入射光に含まれる右円偏光が＋１次の回折光となり、入射光に含まれる左円偏光が−１次の回折光となり、良好な偏光分離特性を有している。
【０１３２】
このように参考形態の反射型の偏光分離回折素子では、反射面上に並んだ複数の複屈折性構造体５１を用いている。その複屈折性構造体５１の１セグメント内には、多数の液晶分子（複屈折性部位）が配置されており、液晶分子の複屈折性の光学軸の向きがＸ軸方向に沿って連続的に変化していることから、参考形態の反射型の偏光分離回折素子を用いた測定装置であれば、そのＳＮ比率が大幅に改善される。隣接する液晶素子の複屈折性の光学軸の向きの差が小さい程、回折素子の偏光分離特性が向上するからである。
【０１３３】
なお、分子配向を利用したタイプの偏光分離回折格子に限られない。液晶分子以外の複屈折性部位を用いて、それらの複屈折の光学軸の向きが連続的に変化するように配置された偏光分離回折素子であっても、同様の効果が得られる。
【０１３４】
次に、本実施形態の反射型の偏光分離回折格子を備えた光学測定装置（例えば、円二色性測定装置や複屈折測定装置。）の構成を説明する。図６（Ａ）は第四実施形態に係る光学測定装置の全体構成図である。
【０１３５】
図６（Ａ）に示すように、光学測定装置１０は、反射型の偏光分離回折格子２０と、入射光学手段３０と、検出光学手段４０と、を備える。入射光学手段３０は、前置分光器３１を含む光学系機器であり、前置分光器３１で光源（例えば、波長域が185〜360nmである紫外光を発する重水素ランプ）からの測定光から所定波長の光を選択し、所定波長の位相の揃った測定光として、反射型の偏光分離回折格子２０に入射させる。測定対象物が前置分光器３１と偏光分離回折格子２０間の光路上に配置される場合は、前置分光器３１からの測定光が、測定対象物の光学特性（円二色性（ＣＤ）、直線二色性（ＬＤ）、円偏光複屈折性（ＣＢ）、直線偏光複屈折性（ＬＢ）など）によって偏光状態が変化した後、反射型の偏光分離回折格子２０に入射する。
【０１３６】
検出光学手段４０は、２つの検出器４１を備え、これらが反射型の偏光分離回折格子２０から±１次回折光の方向に配置され、その±１次回折光を検出する。測定対象物が検出光学手段４０の光路上に配置される場合は、±１次回折光は、測定対象物の複屈折性によって偏光状態が変化した後、検出される。
【０１３７】
図６（Ｂ）は第五実施形態に係る光学測定装置の全体構成図である。反射型の偏光分離回折格子２０を回転または振動させる手段を設けることで、検出信号が周期的に変動する。よって、円二色性などの微小な信号であっても、ロックインアンプなどの検波手段を利用した高感度測定が可能になる。
【０１３８】
また、図６（Ｂ）の反射型の偏光分離回折格子２０は、片側に格子状構造体が形成されたものであるが、これを、両面に格子状構造体が形成されたものに交換してもよい。例えば、図６（Ｂ）の光学測定装置の＋１次回折光の方向にだけ設けられた検出器４１へ向けて、回転する偏光分離回折格子の表の面が正面を向いたタイミングでは、検出器４１に左円偏光が入射し、裏の面が正面を向いたタイミングでは、検出器４１に右円偏光が入射するようにしてもよい。このように反射型の偏光分離回折格子の両面を使い分ければ、円二色性などの光学特性を高感度かつ高速に測定することが可能になる。なお、直線二色性を測定する際は、同様に、偏光分離回折格子の表の面からは、検出器４１にＰ偏光が入射し、裏の面からは、検出器４１にＳ偏光が入射するようにしてもよい。
【０１３９】
図７（Ａ）は第六実施形態に係る光学測定装置の全体構成図であり、前置分光器３１と反射型の偏光分離回折格子２０との間の光路上にチョッパー３２を配置し、チョッパー３２の動作によって、測定光の照射と遮断が繰り返されるようにした。また、図７（Ｂ）は第七実施形態に係る光学測定装置の全体構成図であり、前置分光器３１と反射型の偏光分離回折格子２０との間の光路上に出し入れ可能な試料保持手段３３を配置し、試料保持手段３３の動作によって、サンプル測定とバックグラウンド測定とが繰り返されるようにした。これらの手段によって、光学特性の高感度測定が可能になる。
【０１４０】
なお、光学特性の高感度測定については、図８（Ａ）の第八実施形態に係る光学測定装置のように、測定光の光路中心軸に直交するように偏光子３４を配置し、これを光路中心軸周りに回転させる手段を設けることによっても、高感度測定が可能になる。また、図８（Ｂ）の第九実施形態に係る光学測定装置のように、測定光の光路上にＰＥＭ３５を配置することによっても、高感度測定が可能になる。
【０１４１】
図９は、第十実施形態に係る光学測定装置の全体構成図である。図９の光学測定装置は、反射型の偏光分離回折格子２０と、光源３６を含む入射光学手段３０と、ＣＣＤなどのアレイ型検出器４２を含む検出光学手段４０と、を備える。光源３６からは、所定の波長範囲の測定光を含んだ測定光が発せられる。測定対象物については、図６から図８の各光学測定装置と同様、入射光学手段３０の光路上に配置しても、あるいは、反射型の偏光分離回折格子２０とアレイ型検出器４２との間の光路上に配置してもよい。このような構成の光学測定装置によれば、同時に複数の波長についての光学特性（円二色性（ＣＤ）、直線二色性（ＬＤ）、円偏光複屈折性（ＣＢ）、直線偏光複屈折性（ＬＢ）など）を測定することができる。
【０１４２】
図１０（Ａ）は第十一実施形態に係る円二色性測定装置の全体構成図であり、図１０（Ｂ）はその検出信号からＣＤ信号を算出する信号処理手段を示す図である。符号４３はアパーチャーを示す。符号２０は、両面に格子状構造体が形成された偏光分離回折格子を示す。この円二色性測定装置では、偏光分離回折格子２０を回転もしくは振動させることで、測定対象物に向けて右円偏光と左円偏光が交互に照射される。従って、図１０（Ｂ）に示すように、サンプル有り及びサンプル無しのそれぞれの場合について、周期的な変動のある検出信号を取得することができ、波形形成手段６１（ＢＰＦ等）とロックインアンプ６２を使って、円二色性の高感度測定が可能になる。
【０１４３】
図１１は、偏光分離回折格子の特性グラフを示し、透過型よりも反射型の偏光分離回折格子の方が、特定の楕円率角における偏光状態の検出感度が向上することを示す。グラフの横軸は、楕円率角を示し、縦軸は、＋１次光の回折光強度を示す。つまり、本実施形態の反射型の偏光分離回折格子を用いれば、反射膜（反射面を含む）の素材、厚み、斜め蒸着法などの塗布方法などの選択次第で、入射角が０度以外の場合に、楕円率角に対する回折光強度の分布を操作することができ、特定の楕円率角に対する感度（Ｓ／Ｎ）向上を図ることができる。
【０１４４】
本実施形態の光学測定装置によれば、反射型の偏光分離回折格子を備えているので、偏光分離回折格子にて光路を折り返すことができ、構成機器の配置をコンパクトにすることができる。また、反射型の偏光分離回折格子を備えているので、透過型の偏光分離回折格子と比較して、紫外光領域の吸収による光量低減を抑えることができ、紫外領域から赤外領域までの幅広い波長領域の測定光を使った円二色性や偏光複屈折などの光学測定が可能になる。また、反射型の偏光分離回折格子が、入射光に含まれている左右の円偏光を異なる方向に振り分けるので、光学測定の高速化が可能になる。
【０１４５】
図１１の例では、最表面を銀でコートすることにより、楕円率角に対する回折強度の線形性（直線性）を高めることができる。これにより、
１）入射光が円偏光である楕円率角（−４５度および＋４５度）付近において、楕円率角に対する回折強度の傾きを通常（透過型）の小さい傾きから大きくすることできる。これにより、−４５度および＋４５度近傍において回折光強度の変化率をより大きくすることができるので、円偏光検出時の感度を実効的に向上させることができる。また、
２）すべての角度範囲において、楕円率角に依存せずに傾きをより一定にすることができる。これにより、入射光の偏光状態（楕円率角）によらず、全領域において一定の感度で測定することができる。
【符号の説明】
【０１４６】
１・・・基板、２・・・反射面、３・・・格子状構造体、１１，１３・・・基板、１２・・・格子状凹凸構造体、１０・・・光学測定装置、２０・・・偏光分離回折格子、３０・・・入射光学手段、４０・・・検出光学手段、５１・・・複屈折性構造体。
【要約】
本発明は、紫外域を含めた広波長域で使用可能な反射型の偏光分離回折素子、および、これを備えた光学測定装置を提供する。反射型の偏光分離回折素子は、基板（１）と、基板（１）の表面に形成された反射面（２）と、反射面（２）上に設けられた構造複屈折（Δｎ＊）を示す格子状構造体（３）と、を備える。格子状構造体（３）は、それぞれ異なる方位角の格子状構造を有する４パターンの格子状構造体（３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび３Ｄ）からなる。格子状構造の方位角が構造周期的に変化するように、複数パターンの格子状構造体（３Ａ，３Ｂ，３Ｃおよび３Ｄ）が反射面２上を所定方向に並んでいる。【図１】
0006896262.tif 000039
【図２】
0006896262.tif 000040
【図３】
0006896262.tif 000041
【図４】
0006896262.tif 000042
【図５】
0006896262.tif 000043
【図６】
0006896262.tif 000044
【図７】
0006896262.tif 000045
【図８】
0006896262.tif 000046
【図９】
0006896262.tif 000047
【図１０】
0006896262.tif 000048
【図１１】
0006896262.tif 000049