JP2006071458A - Double refraction phase difference measuring device and double refraction phase difference measuring method - Google Patents

Double refraction phase difference measuring device and double refraction phase difference measuring method Download PDF

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Kazuhiro Mimura
一弘 味村
Toshiji Takei
利治 武居
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring device and a measuring method capable of measuring a phase difference immediately only by setting a sample without a rotation mechanism. <P>SOLUTION: This double refraction phase difference measuring device is equipped with a light flux generation means 1 for generating a monochromatic light flux, a polarization irradiation means 2 by putting the light flux into a specific polarization state and irradiating a measuring object 3 therewith, a polarization state measuring means 4 for measuring the polarization state of the light flux transmitted through the measuring object 3 or reflected thereby by three or more kinds of analyzer angles and acquiring each analyzer output, and an operation means 6 for calculating the double refraction phase difference of the measuring object 3 from each analyzer output. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

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。   The present invention relates to a birefringence phase difference measuring apparatus and a birefringence phase difference measuring method. Specifically, the present invention relates to a birefringence phase difference measuring apparatus and a birefringence phase difference measuring method for obtaining a birefringence phase difference of a measurement object from three or more analyzer outputs in a polarization state of a light beam transmitted or reflected by the measurement object.

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)。   Conventionally, the birefringence phase difference measurement generally uses the Senarmon method or the rotation analyzer method. According to these methods, the phase difference of various samples can be measured with high accuracy. (For example, refer nonpatent literature 1).

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。   FIG. 9 shows an example of an ellipsometer as a conventional birefringence phase difference measuring apparatus. The ellipsometer includes a collimator arm 109 and a telescoping arm 110. The collimator arm is usually fixed, and the telescoping arm can rotate around the intersection of the optical axes in a plane including the optical axes of both arms. The angle of the two arms can be read to 0.01 ° using, for example, a rotary scale plate and a vernier. A sample stage is provided so that the measurement object (sample) 105 is placed at the center axis (intersection of both arms) of the apparatus. On the collimator arm 109 side, the monochromatic light beam is generated by passing the emitted light from the light source 101 through the monochromatic light filter 102, the monochromatic light beam is passed through the polarizer 103 to be in a polarized state, and a quarter wavelength plate (compensation plate) ) The measurement object 105 is irradiated after passing through 104. On the telescope arm 110 side, an analyzer angle is determined for the light beam reflected by the measurement object 105 using the analyzer 106, an analyzer output is detected by the photodetector 107, and a light output display arranged outside the arm. Displayed on the instrument 108. In order to measure the birefringence phase difference, two of the azimuth angle of the polarizer 103, the azimuth angle of the compensation plate 104, the azimuth angle of the analyzer 106, and the phase difference of the compensation plate 104 are fixed, and the two are changed. . Typically, the azimuth and phase difference of the compensation plate 104 are fixed, and the polarizer 103 and the analyzer 106 are rotated to obtain the azimuth of the polarizer 103 and the analyzer 106 at which the output is minimized. Ideally, the azimuth angles of the polarizer 103 and the analyzer 106 satisfying the extinction condition (output becomes 0) are obtained. Each of the polarizer 103 and the analyzer 106 can be rotated in a plane perpendicular to the optical axis, and can be read up to 0.005 ° using, for example, a rotary scale plate and a vernier. Polarization analysis parameters Δ and ψ on the sample surface are obtained from the azimuth angles of the polarizer 103 and the analyzer 106 that minimize the output, and the birefringence phase difference of the sample is obtained from the polarization analysis parameters Δ and ψ on the sample surface.

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。   The Senalmon method is a method in which the extinction condition is automatically detected by various servo mechanisms. The servo motor rotates the polarizer and the analyzer to obtain the azimuth angles of the polarizer 103 and the analyzer 106 that satisfy the extinction condition. These azimuth angles are divided into four zones depending on the combination of the polarizer and analyzer angles, and automatic detection is possible for all of these four zones.

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。   The rotation analyzer method is a method of detecting the polarization state of reflected (or transmitted) elliptically polarized light from a sample by rotating only the analyzer with a synchronous motor. The intensity of light incident on the detector is converted into, for example, 256 digital signals per rotation and processed by a computer to obtain ellipsometric parameters Δ and ψ on the sample surface.

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)Handbook of optical measurement Toshiharu Tada, Junpei Takiuchi, edited by Shigeo Minami Asakura Shoten, published in 1981 (Chapter 2, Hideyoko Yokota, Optical Measurements 2.4.2-2.4.4, pages 260-264, Fig. 2.4.4) (Fig. 2.4.9 etc.)

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。   However, these conventional apparatuses are accompanied by a driving mechanism for rotating the polarizing element, and it takes a time of several seconds to several tens of seconds for measurement. Moreover, high accuracy may not be required depending on the purpose of measurement.

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。
An object of the present invention is to provide a measuring apparatus and a measuring method capable of measuring an absolute value of a phase difference immediately by setting a sample without a rotating mechanism.
Alternatively, it is an object to provide a measuring apparatus and a measuring method capable of measuring with a small number of angle points and shortening the measuring time.

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。
In order to solve the above-described problem, a birefringence phase difference measuring apparatus according to claim 1 includes, as shown in FIG. 1, for example, a light beam generating unit 1 that generates a monochromatic light beam, and a light beam in a specific polarization state. A polarized light irradiating means 2 for irradiating the measuring object 3, and a polarization state measuring means 4 for measuring the polarization state of the light beam transmitted or reflected by the measuring object 3 at three or more analyzer angles and obtaining respective analyzer outputs; And calculating means 6 for calculating the birefringence phase difference of the measuring object 3 from each analyzer output.
If comprised in this way, the birefringence phase difference measuring apparatus which can measure a phase difference simply and in a short time can be provided.

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。
Further, the invention according to claim 2 is the birefringence phase difference measuring apparatus according to claim 1, wherein, for example, as shown in FIG. 1, the polarization state measuring means 4 transmits three or more luminous fluxes transmitted or reflected. The beam splitting means 40 for splitting the beam, the analyzers 51A to 51C having different analyzer angles for transmitting the divided beams, and the light amounts transmitted through the analyzers 51A to 51C are detected to obtain respective analyzer outputs. Photo detectors 52A-52C.
Note that the light beam splitting means 40 and the analyzers 51A to 51C are not necessarily different from each other, and may be realized as one having both functions. With this configuration, the phase difference can be measured immediately by simply setting the sample without the rotation mechanism.

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。
Further, in the invention according to claim 3, in the birefringence phase difference measuring apparatus according to claim 1 or 2, for example, as shown in FIG. 5, the polarization state measuring means 4 is configured to change the analyzer angle by rotation. There are three or more types of rotation analyzers 43 that can be changed, and a photodetector 52D that detects the amount of light transmitted through the rotation analyzer 43 and obtains the output of each analyzer.
With this configuration, the phase difference can be measured with a small number of angle points, and the measurement time can be shortened.

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。
According to a fourth aspect of the present invention, in the birefringence phase difference measuring apparatus according to any one of the first to third aspects, the three or more types of analyzer angles include 0 degrees and 90 degrees. .
The angle includes values in the vicinity thereof, including variations in device manufacturing and optical device adjustment. If comprised in this way, the process of calculating a phase difference from an analyzer output will become simple, the load of a calculating means will be small, and processing time will be shortened.

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。
According to a fifth aspect of the present invention, in the birefringence phase difference measuring device according to any one of the first to fourth aspects, the specific polarization state is circularly polarized light or linearly polarized light.
Note that circularly polarized light or linearly polarized light includes a state in the vicinity thereof, including variations in device manufacturing and variations in optical equipment adjustment. With this configuration, the calculation model can be simplified and the phase difference can be easily calculated.

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。
Further, in the birefringence phase difference measuring method according to claim 6, as shown in FIG. 8, for example, as shown in FIG. 8, a light beam generation step (S 001) for generating a monochromatic light beam, And a polarization state measuring step (S002), and a polarization state measuring step of selectively measuring the polarization state of the light beam transmitted or reflected through the measuring object 3 at three or more analyzer angles to obtain each analyzer output ( S003) and a calculation step (S004) for calculating the birefringence phase difference of the measurement object 3 from each analyzer output.
If comprised in this way, the birefringence phase difference measuring method which can measure a phase difference simply and in a short time can be provided.

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。   According to the present invention, it is possible to provide a measuring apparatus and a measuring method capable of measuring the absolute value of the phase difference immediately by setting the sample without the rotation mechanism. Alternatively, it is possible to provide a measuring apparatus and a measuring method capable of measuring with a small number of angle points and shortening the measuring time.

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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration example of a birefringence phase difference measuring apparatus according to the first embodiment. In the present embodiment, an example is shown in which the polarization state measuring unit 4 includes a beam splitting unit 40 that splits a transmitted beam into three or more beams.

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。   Reference numeral 1 denotes a light beam generating means for generating a monochromatic light beam, which is composed of a He-Ne laser 11A as a light source for emitting monochromatic light. Reference numeral 2 denotes polarized light irradiating means for irradiating the measurement object (sample) 3 with the monochromatic light beam generated by the light beam generating means 1 in a specific polarization state. The polarized light irradiation means 2 includes a polarizer 21 and a quarter wavelength plate 22. The polarizer 21 can polarize the light beam and adjust the polarization state. The quarter-wave plate 22 changes the polarization state (phase) of the light beam by 90 degrees (π / 2). In the present embodiment, the monochromatic light beam generated by the He—Ne laser 1 is converted into a linearly polarized light beam by the polarizer 21, converted into a circularly polarized light beam by the quarter wavelength plate 22, and is applied to the measurement object 3. Irradiated. The specific polarization state irradiated to the measuring object 3 is circularly polarized light.

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。   The light beam that has passed through the measurement object 3 enters the polarization state measuring means 4. The polarization state measuring means 4 selectively measures the polarization state of the light beam that has passed through the measurement object 3 at three or more analyzer angles to obtain each analyzer output. In this embodiment, the polarization state measurement means 4 transmits the light. A light beam splitting means 40 (including each analyzer 51A to 51C having a different detection angle for transmitting each divided light beam) and a light amount transmitted through each analyzer 51A to 51C are detected to split the light beam into three or more light beams. And photodetectors 52A to 52C for obtaining respective analyzer outputs.

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。   The beam splitting means 40 is composed of a first non-polarizing beam splitter 41A and first and second polarizing beam splitters 42A and 42B. The first non-polarizing beam splitter 41A divides the light beam that has passed through the measurement object 3 into two parts, one of the divided light beams into the first polarizing beam splitter 42A, and the other light beam into the second polarizing beam splitter 42B. Exit. The first polarizing beam splitter 42A divides the light beam incident from the non-polarizing beam splitter 41A into two parts according to the polarization state (P-polarized light and S-polarized light), and one of the divided light beams is supplied to the first photodetector 52A. The other is emitted to the second photodetector 52B. The second polarization beam splitter 42B emits the other light beam divided by the first non-polarization beam splitter 41A to the third photodetector 52C without being divided (whether it is all P-polarized light or S-polarized light). .

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。   In the present embodiment, the first polarization beam splitter 42A has the functions of the first analyzer 51A and the second analyzer 51B, and the second polarization beam splitter 42B has the function of the third analyzer 51C. Have Therefore, the analyzers 51A to 51C are included in the light beam splitting means 40. The polarization state of the light beam passing through the light beam splitting means 40 is set so as to obtain analyzer outputs at different predetermined analyzer angles. For example, the first analyzer angle is set to 0 degrees, the second analyzer angle is set to 90 degrees, and the third analyzer angle is set to the other analyzer angles. In the first non-polarizing beam splitter 41A, the polarization state of the transmitted light is unchanged. In the first polarization beam splitter 42A, the light is separated into P-polarized light and S-polarized light, but the analyzer angle is set so that the first analyzer angle is 0 degree for one of the divided light beams. A portion with an angle of 0 degree is emitted to the first photodetector 52A, and the analyzer angle is set to be the second analyzer angle of 90 degrees for the other light flux, and a portion with an analyzer angle of 90 degrees is the first part. The light is emitted to the second photodetector 52B. In the second polarization beam splitter 42B, one of P-polarized light and S-polarized light is emitted to the third photodetector 52C, and is set to have a third analyzer angle. When the analyzer angle is selected in this way, the calculation is facilitated as described later, which is preferable. Further, it is preferable to select 45 degrees and 135 degrees as the third (other) analyzer angle because the calculation becomes easy.

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。   The first to third photodetectors 52A to 52C detect the amount of light transmitted through the second or third polarization beam splitters 42A and 42B as the analyzers 51A to 51C, and obtain respective analyzer outputs. The analyzer outputs obtained by the first to third photodetectors 52 </ b> A to 52 </ b> C are amplified by the first to third optical amplifiers 53 </ b> A to 53 </ b> C, respectively, and transmitted to a personal computer as the computing means 6. The calculation means 6 acquires the outputs of the first to third optical amplifiers 53A to 53C with the analog input unit 62, and uses the built-in software (calculation program) 61 to measure the measurement object (sample) from each analyzer output. The birefringence phase difference of 3 is calculated. Thereby, as described later (see (Expression 11) to (Expression 13)), the phase difference can be calculated without being affected by the roll angle of the sample 3.

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E、y成分をE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a、検光子角度90度の検光子出力に対応するパラメータをa、位相差をδとすると、(式1)が成立する。

(E/a+(E/a−(2E/a)cosδ=sinδ・・(式1)
Next, how to calculate the birefringence phase difference (hereinafter simply referred to as phase difference for simplicity) will be described.
In the case of expressing the polarization state of light, in the three-dimensional xyz coordinate system, the x component of the elliptically polarized electric vector (may be a magnetic vector) traveling in the z direction is E x , the y component is E y , and the analyzer angle is 0 degree. If the parameter corresponding to the analyzer output is a x , the parameter corresponding to the analyzer output at an analyzer angle of 90 degrees is a y , and the phase difference is δ, (Equation 1) is established.

(E x / a x ) 2 + (E y / a y ) 2 − (2 E x E y / a x a x ) cos δ = sin 2 δ (Equation 1)

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。
If the parameter corresponding to the analyzer output at a detection angle of 135 ° (= 90 ° + 45 °) is a 135 , the tangent to the ellipse (Equation 1) is expressed by (Equation 2).

y = x + k (Equation 2)

Here, k = (√2) a 135 .

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。   FIG. 2 illustrates a change state of the polarization state due to the phase difference δ. Here, the high-speed axis direction is 0 °, the low-speed axis direction is 90 °, the azimuth angle is 45 °, and the phase difference is δ = 90 °, 90 ± 3 °, 90 ± 30 °, 90 ± 90 °. The state of elliptically polarized light in the case of measuring the quartz plate is shown. When the quartz plate is rotated, the azimuth angle of the ellipse is also rotated. From FIG. 2, when δ = 90 °, the linearly polarized light has an inclination of 45 °, and the roundness of the ellipse increases as δ moves away from 90 °, and when δ = 90 ± 90 °, the circularly polarized light appears. Recognize.

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。   The analyzer output is expressed by the distance from the origin of the tangent line that touches the coordinates (Ex, Ey) on the ellipse. For example, when the phase difference is 30 °, the analyzer angle of the first analyzer 51A is 0 °, the analyzer angle of the second analyzer 51B is 90 °, and the analyzer angle of the third analyzer 51C is 135 °. The outputs are 1.0, 1.0, and about 0.5 / √2, respectively.

簡単のため、
a=1/a、b=1/a、α=cosδ・・(式3)
x=E,y=E・・(式4)
と置き換えると、(式1)は(式5)のように変換される。

+b−2abαxy=1−α・・(式5)

(式5)に(式2)を代入すると、(式6)となる。

+b(x+k)−2abαx(x+k)+α−1=0・・(式6)

(式6)を整理すると、二次方程式(式7)が得られる。

(a+b−2abα)x+2(bk−abαk)x+b+α−1=0・・(式7)
For simplicity,
a = 1 / a x , b = 1 / a y , α = cos δ (formula 3)
x = E x , y = E y .. (Formula 4)
Is replaced by (Expression 5).

a 2 x 2 + b 2 y 2 -2abαxy = 1−α 2 (Equation 5)

Substituting (Equation 2) into (Equation 5) yields (Equation 6).

a 2 x 2 + b 2 (x + k) 2 −2abαx (x + k) + α 2 −1 = 0 (Equation 6)

By rearranging (Equation 6), a quadratic equation (Equation 7) is obtained.

(A 2 + b 2 −2abα) × 2 +2 (b 2 k−abαk) x + b 2 k 2 + α 2 −1 = 0 (Equation 7)

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 Ax+Bx+C=0 の判別式 D=B−4AC=0 より、(式8)が成立する。

D=4k(b−abα)−4(a+b−2abα)(b+α−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。

2abα+(a−a−b)α−2abα+a+b−a=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。
Since the ellipse (Formula 1) and the straight line (Formula 2) are in contact, (Formula 7) has multiple roots.
Therefore, from the discriminant D = B 2 −4AC = 0 of the quadratic equation Ax 2 + Bx + C = 0, (Equation 8) is established.

D = 4k 2 (b 2 −abα) 2 -4 (a 2 + b 2 −2abα) (b 2 k 2 + α 2 −1) = 0 (Equation 8)

When this is arranged for α, (Equation 9) is obtained.

2abα 3 + (a 2 b 2 k 2 −a 2 −b 2 ) α 2 −2abα + a 2 + b 2 −a 2 b 2 k 2 = 0 (Equation 9)

Here, since a, b, and k are constants and can be measured, it is possible to calculate α, that is, the phase difference δ from (Equation 9).

一般に、ex+fx+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。

β+(g/e−f/3e)β+(2f/27e−fg/3e+h/e)=0・・(式10)

一般に、β+pβ+q=0 の実数解は、(式11)のようになる。

Figure 2006071458

p、qをa,b,kで表すと、(式12)、(式13)のようになる。

p=−(1+(a−a−b/12a)・・(式12)

q=(a−a−b/108a−(a−a−b)/6ab+(a+b−a)/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。 In general, when ex 3 + fx 2 + gx + h = 0 is replaced with x = β−f / 3e and rearranged, (Expression 10) is obtained.

β 3 + (g / e- f 2 / 3e 2) β + (2f 3 / 27e 3 -fg / 3e 2 + h / e) = 0 ·· ( Equation 10)

In general, the real number solution of β 3 + pβ + q = 0 is as shown in (Expression 11).

Figure 2006071458

When p and q are represented by a, b, and k, they are as shown in (Expression 12) and (Expression 13).

p = − (1+ (a 2 b 2 k 2 −a 2 −b 2 ) 2 / 12a 2 b 2 ) (formula 12)

q = (a 2 b 2 k 2 -a 2 -b 2) 3 / 108a 3 b 3 - (a 2 b 2 k 2 -a 2 -b 2) / 6ab + (a 2 + b 2 -a 2 b 2 k 2 ) / 2ab (Equation 13)

Thereby, β, that is, α can be obtained. Further, the phase difference δ can be obtained from α = cos δ. However, due to the characteristic of the cos function, the sign of δ is not known and only the absolute value is known.
| Δ | = 0 to 180 degrees.

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。   FIG. 3 illustrates the polarization state in the case of an azimuth angle of 45 ° + 30 ° = 75 ° and a phase difference of ± 30 °. The state in which the azimuth angle is rotated 30 ° counterclockwise from the state of FIG. 2, that is, the crystal plate is rotated counterclockwise by 30 ° (the high speed axis and the low speed axis are rotated by 30 ° from the x axis and the y axis, respectively) ). Since the phase angle is 30 °, the polarization state is a state in which the elliptically polarized light having the phase angle of 30 ° in FIG. 2 is rotated counterclockwise by 30 °.

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=a、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。
When obtaining the analyzer output at the detection angle 0 ° of the first analyzer 51A, the detection angle 90 ° of the second analyzer 51B, and the detection angle 135 ° of the third analyzer 51C, the equation of the tangent to the ellipse is , X = a 0 , y = a 90 , and y = x + (√2) a 135 (respectively indicated by broken lines in the figure).
As described above, even when the azimuth angle changes, the analyzer output is determined correspondingly by the phase difference. Therefore, the phase difference can be obtained by measuring the three analyzer outputs.

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。   As described above, according to the present embodiment, the measurement object is irradiated with the monochromatic light beam, and the light beams transmitted or reflected by the measurement object are selectively measured for the three analyzer outputs having different analyzer angles. The absolute value of the phase difference can be obtained. According to this, it is possible to measure the phase difference immediately by simply setting the sample without the rotation mechanism.

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。
In the case of this embodiment, even if non-polarized light is incident on the polarization state measuring means, the incident light quantity may be unbalanced between the first to third photodetectors 51A to 51C. Since the transmittance and reflectance of the splitter 41A and the polarization beam splitters 41B and 41C are known, correction is possible.
Further, it is possible to use a laser diode LD as a light source of the light beam generating means 1 instead of the laser.

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。   FIG. 4 shows a configuration example of a birefringence phase difference measuring apparatus according to the second embodiment. This embodiment is also an example in which the polarization state measuring unit 4 includes a beam splitting unit 40 that splits a transmitted beam into three or more beams. However, a light emitting diode LED is used instead of a laser as a light source, and an analyzer is used. The difference is that a Glan-Thompson prism is used instead of the polarizing beam splitter. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

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。   Recently, since a high-power LED can be obtained, it can be used as a light source for the light flux generating means 1. However, since the light emitted from the LED 11B is not monochromatic light, the narrow band filter 12 is used to narrow the light beam to a predetermined wavelength. As the narrow band filter 12, for example, a filter having a half width of 5 nm is used. The first lens system 13A and the second lens system 13B are used for irradiating the measurement object 3 with a parallel light beam, condensing on the measurement object, or setting the light beam diameter to an appropriate value. The Here, the light beam generation means 1 is composed of an LED 11B, a narrow band filter 12, and a first lens system 13A. Further, since the light emitted from the LED 11B is non-polarized light, polarized light is created by the polarizer 21 (typically, linearly polarized light). The polarized light irradiation means 2 is the same as that of the first embodiment.

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10:1以上が可能である。 The light beam that has passed through the measurement object 3 passes through the second lens system 13B and then enters the polarization state measuring means 4. In the present embodiment, a light beam splitting unit that splits a transmitted light beam into three or more light beams, and analyzers having different analyzer angles that transmit the divided light beams are different from those in the first embodiment. The beam splitting means 40 is composed of second and third non-polarizing beam splitters 41B and 41C, and the first to third analyzers 51A to 51C are respectively connected to the first to third Glan-Thompson prisms 54A to 54C. Composed. The Glan-Thompson prism has a large extinction ratio and can be measured with high accuracy. The extinction ratio can be, for example, 10 6 : 1 or more.

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。   The second non-polarizing beam splitter 41B divides the light beam transmitted through the measuring object 3 into two parts, and outputs one of the divided light beams to the third non-polarizing beam splitter 41C and the other to the third Glan-Thompson prism 54C. To do. The third non-polarizing beam splitter 41C divides one light beam divided by the second non-polarizing beam splitter 41B into two, the one divided light beam to the first Glan-Thompson prism 54A and the other to the second light beam. The light is emitted to the Glan Thompson prism 54B. The first Glan-Thompson prism 54A emits one light beam split by the third non-polarization beam splitter 41C to the first photodetector 52A, and the second Glan-Thompson prism 54B emits the third non-polarization beam. The other light beam split by the splitter 41C is emitted to the second photodetector 52B, and the third Glan-Thompson prism 54C converts the other light beam split by the second non-polarizing beam splitter 41B to the third light beam. The light is emitted to the photodetector 52C.

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。   Here, the beam splitting means 40 includes a second non-polarizing beam splitter 41B and a third non-polarizing beam splitter 41C. In the second and third non-polarizing beam splitters 41B and 41C, the polarization state of the transmitted light is unchanged. The light beam that has passed through the light beam splitting means 40 is incident on the first to third Glan-Thompson prisms 54A to 54C, and the first to third Glan-Thompson prisms 54A to 54C are the first to third analyzers 51A to 51C. It has the function of. The first to third Glan-Thompson prisms 54A to 54C are set so as to obtain analyzer outputs at different predetermined analyzer angles. For example, the first analyzer angle is set to 0 degrees, the second analyzer angle is set to 90 degrees, and the third analyzer angle is set to the other analyzer angles. In the first Glan-Thompson prism 54A, the analyzer angle is set to be the first analyzer angle 0 degree, and the analyzer angle of one light beam divided by the third non-polarizing beam splitter 41C is 0 degree. The portion is emitted to the first photodetector 52A. In the second Glan-Thompson prism 54B, the analyzer angle is set to be the second analyzer angle of 90 degrees, and the analyzer angle of the other light beam divided by the third non-polarizing beam splitter 41C is 90 degrees. The portion is emitted to the second photodetector 52B. In the third Glan-Thompson prism 54C, the analyzer angle is set to be the third analyzer angle, and the third analyzer angle (others) of the other light beam divided by the second non-polarizing beam splitter 41B is set. The analyzer angle) is emitted to the third photodetector 52C. It is preferable to select 45 degrees and 135 degrees as the third (other) analyzer angle.

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。
Subsequent stages from the photodetectors 52A to 52C are the same as those in the first embodiment.
In addition to a Glan-Thompson prism using calcite as a polarizer and analyzer, a Gran Taylor prism using calcite and other thin polarizing elements can be used.

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。   FIG. 5 shows a configuration example of a birefringence phase difference measuring apparatus according to the third embodiment. In the present embodiment, the polarization state measuring unit 4 is an example in which the analyzer is rotated to selectively select three analyzer angles instead of having a beam splitting unit that splits the transmitted beam into three or more beams. Indicates. In the conventional rotating photon method, 0 to 360 degrees are continuously acquired. However, in this embodiment, only three points need be measured, and simplification is greatly achieved. Further, a white light source is used as the light source, and the wavelength is scanned. The same parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

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。   11C is a white light source such as a halogen lamp or a xenon lamp. The outgoing light from the white light source 11C is passed through a spectroscope (monochromator) 14 to obtain monochromatic light having a desired wavelength, which is used for phase difference measurement. Here, the light beam generation means 1 is composed of a white light source 11C and a spectroscope 14. Further, a third lens system 13C is used for condensing light on the incident side of the measurement object 3. The polarized light irradiation means 2 is the same as in the first and second embodiments.

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。   By measuring while changing the output wavelength of the spectroscope 14, the wavelength dependence of the phase difference can be grasped. A recent spectroscope can control the wavelength of the outgoing light by computer-controlling the angle of the reflection type rotary grating for spectroscopy, and can efficiently measure the wavelength dependence of the phase difference.

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。   In FIG. 5, reference numeral 43 denotes a rotating polarization beam splitter mechanism in which an analyzer is rotatably mounted and can selectively measure at three or more kinds of analyzer angles to obtain each analyzer output. For example, a rotating analyzer can be used as the rotating polarization beam splitter mechanism 43. For example, by selectively measuring the analyzer output at three types of analyzer angles, the absolute value of the phase difference of the measurement object 3 can be obtained by simple measurement as in the first and second embodiments. be able to.

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。   Reference numeral 44 denotes an angle encoder that outputs an analyzer angle (rotation angle) of an analyzer in the rotating polarization beam splitter mechanism 43 and transmits it to a personal computer as the computing means 6. The optical detector-optical amplifier may be a single system, and the fourth optical detector 52D and the fourth optical amplifier 53D are the first to third optical detectors 52A to 52C and the first to third optical amplifiers 53A. The thing similar to -53C can be used. The function of the personal computer 6 is almost the same as that of the first and second embodiments, but instead of acquiring the analyzer output at each analyzer angle from the three optical amplifiers, one optical amplifier 53D. To obtain analyzer outputs selectively measured at three analyzer angles. In addition to being connected to the spectrometer 14 to obtain the wavelength of the emitted light, it is connected to the angle encoder 44 to obtain the analyzer angle and not only to calculate the phase difference but also to calculate the wavelength dependence of the phase difference. Further, the influence of the phase difference due to the rotation angle of the analyzer of the rotating polarization beam splitter mechanism 43 can be grasped.

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。   FIG. 6 shows a configuration example of the birefringence phase difference measuring apparatus in the fourth embodiment. In the present embodiment, the SNR (signal-noise ratio) is improved based on the first embodiment. A drive circuit 15 is connected to a laser (for example, a semiconductor laser) 11D as a light source of the light beam generating means 1 and modulated at, for example, 100 kHz, while only signals near 100 kHz are applied to the first to third optical amplifiers 53A to 53C. Is inserted, and the laser 11D is driven by modulating the luminous flux. By narrowing the band to be measured, disturbance light (DC or low-frequency signal) can be cut and white noise of the circuit system (full band) can be cut, thereby increasing the SNR (signal-noise ratio). It is also possible to modulate by using a laser diode as the light source.

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。   FIG. 7 shows a configuration example of a birefringence phase difference measuring apparatus according to the fifth embodiment. In the present embodiment, the synchronizing signal source 7 is connected to the drive circuit 15 and the first to third optical amplifiers 53A to 53C of the fourth embodiment, and wavelength modulation and analyzer output are performed using the synchronizing signal. This is to synchronize detection. As a result, the SNR can be further increased. It is also possible to use a laser diode as a light source for modulated light emission and perform synchronous detection.

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。   FIG. 8 summarizes the processing flow of the birefringence phase difference measuring method in the first to fifth embodiments of the present invention. First, a monochromatic light beam is generated in a light beam generation step (step S001). A monochromatic light beam may be generated by using a monochromatic light source such as the laser 11A as in the first embodiment, and from the LED light source 11B and the white light source 11C as in the second and third embodiments. The monochromatic light beam may be generated through the narrow-band filter 12 and the spectroscope 14. Next, in the polarized light irradiation step (step S002), the measurement object 3 is irradiated with the light beam in a specific polarization state. A polarizer 21 and a quarter-wave plate 22 are used to bring the light beam into a specific polarization state. In the above embodiment, an example in which the specific polarization state is linearly polarized light has been shown. However, circularly polarized light or elliptically polarized light may be used. Next, in the polarization state measurement step (step S003), the polarization state of the light beam transmitted or reflected by the measurement object 3 is selectively measured at three or more analyzer angles to obtain each analyzer output. In order to obtain three or more kinds of analyzer angles, as in the first and second embodiments, the light beam dividing means 40 for dividing the transmitted light beam into three or more light beams is used. The light beams may be detected by the photodetectors 52A to 52C via the analyzers 51A to 51C having different analyzer angles, and transmitted to the computing means 6 via the optical amplifiers 53A to 53C. As in the third embodiment, each analyzer output is detected by the photodetector 52D at the three or more analyzer angles through the rotating analyzer 43 that can change the analyzer angle to three or more, and the optical amplifier 53D is detected. You may transmit to the calculating means 6 via. The light beam splitting means 40 may be a non-polarizing beam splitter or a polarizing beam splitter, and the analyzers 51A to 51C may be polarizing beamsplitters or Glan-Thompson prisms. Next, in the calculating step (step S004), the calculating means 6 calculates the birefringence phase difference of the measuring object 3 from each analyzer output. In the calculation, for example, the output parameters a, b. The birefringence phase difference δ is calculated from k.

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。   Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and it is obvious that modifications can be made as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

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。   For example, in the above embodiment, the example in which the circularly polarized light is incident on the measurement object has been described, but linearly polarized light may be incident. In this case, for example, if the measurement object is a quarter wavelength plate, when linearly polarized light is incident, the emitted light becomes circularly polarized light. If the phase difference is 90 degrees, it becomes ideal circularly polarized light, but if the phase difference deviates from 90 degrees, it becomes elliptically polarized light. Therefore, the equation of elliptically polarized light can be obtained by the same method as in the above embodiment.

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。
In the above embodiments, the case where the analyzer angles are 0 °, 90 °, and 135 ° has been described. However, the same calculation can be performed even if other angles are selected. In this case, the ternary cubic equation is solved, and the calculation becomes complicated.
Moreover, although the example using three types of analyzer angles was demonstrated in the above embodiment, you may use four or more types. In this case, since there are a plurality of sets of data that can be used for calculation, the reliability of the calculated phase difference is improved.

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。   Further, a lens or the like that does not substantially affect the polarization state may be inserted in order to enlarge / reduce the measurement range or obtain an appropriate light beam. Further, instead of arranging the optical elements in series, the optical elements may be connected using an optical fiber. In the above embodiment, an example in which a light beam is split using a beam splitter or a rotating analyzer has been described. However, three analyzers are arranged in parallel in the light beam, or mirrors having different reflection angles are provided in the light beam. The light beams may be divided and divided into three directions, or three optical fibers may be inserted into the light beam, and the light may be guided to three analyzers.

光学部品などの復屈折位相差測定に利用される。   It is used for birefringence phase difference measurement of optical parts.

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。It is a figure which shows the structural example of the birefringence phase difference measuring apparatus in 1st Embodiment. 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。It is a figure which illustrates the mode of the change of the polarization state by a phase difference. 位相差±30°、方位角45°+30°の偏光状態を例示する図である。It is a figure which illustrates the polarization state of phase difference +/- 30 degree and azimuth | direction angle 45 degrees +30 degrees. 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。It is a figure which shows the structural example of the birefringence phase difference measuring apparatus in 2nd Embodiment. 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。It is a figure which shows the structural example of the birefringence phase difference measuring apparatus in 3rd Embodiment. 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。It is a figure which shows the structural example of the birefringence phase difference measuring apparatus in 4th Embodiment. 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。It is a figure which shows the structural example of the birefringence phase difference measuring apparatus in 5th Embodiment. 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。It is a figure which shows the processing flow of the birefringence phase difference measuring method in embodiment of this invention. 従来の復屈折位相差測定装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the conventional birefringence phase difference measuring apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light beam production | generation means 2 Polarization irradiation means 3 Measurement object (sample)
4 Polarization state measurement means 6 Calculation means 7 Synchronization signal source 11A He-Ne laser 11B Light emitting diode (LED)
11C White light source 12 Narrow band filters 13A to 13C First to third lens systems 14 Spectrometer 15 Driving circuit 21 Polarizer 22 1/4 wavelength plate 40 Light beam splitting means 41A to 41C First to third unpolarized beams Splitters 42A and 42B First and second polarizing beam splitters 43 Rotating polarizing beam splitter mechanism (rotating analyzer)
44 Angle encoders 51A to 51C First to third analyzers 52A to 52C First to third photodetectors 53A to 53C First to third optical amplifiers 54A to 54C First to third Glan-Thompson prisms 101 Light source 102 Monochromatic light filter 103 Polarizer 104 1/4 wavelength plate 105 Measurement object 106 Analyzer 107 Photo detector 108 Optical output display 109 Collimator arm 110 Telescope arm δ Phase difference

Claims (6)

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。
Light flux generating means for generating a monochromatic light flux;
Polarized light irradiating means for irradiating the measurement object with the light beam in a specific polarization state;
Polarization state measuring means for selectively measuring the polarization state of a light beam transmitted or reflected by the measurement object at three or more analyzer angles to obtain each analyzer output;
Computing means for calculating a birefringence phase difference of the measurement object from each analyzer output;
Birefringence phase difference measuring device.
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。
The polarization state measuring means includes
Beam splitting means for splitting the transmitted or reflected beam into three or more beams;
Each analyzer at a different analyzer angle that transmits each split light beam;
A photodetector that detects the amount of light transmitted through each analyzer and obtains each analyzer output;
The birefringence phase difference measuring apparatus according to claim 1.
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。
The polarization state measuring means includes
A rotating analyzer capable of changing the analyzer angle to three or more by rotation;
A photodetector for detecting the amount of light transmitted through the rotating analyzer and obtaining the output of each analyzer;
The birefringence phase difference measuring apparatus according to claim 1.
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。
The three or more types of analyzer angles include 0 degrees and 90 degrees;
The birefringence phase difference measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3.
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。
The specific polarization state is circularly polarized light or linearly polarized light;
The birefringence phase difference measuring apparatus according to any one of claims 1 to 4.
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。

A light flux generating step for generating a monochromatic light flux;
A polarized light irradiation step of irradiating the measurement object with the light beam in a specific polarization state;
A polarization state measurement step of selectively measuring the polarization state of the light beam transmitted or reflected by the measurement object at three or more analyzer angles to obtain each analyzer output;
A calculation step of calculating a birefringence phase difference of the measurement object from each analyzer output;
Birefringence phase difference measurement method.

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