JP2007156083A

JP2007156083A - 光学素子、光学装置、及び偏光顕微鏡

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Publication number: JP2007156083A
Application number: JP2005350694A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tsukamoto; 宏之塚本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】波長帯域全体で同一の位相差を与える波長板として使用可能な光学素子を提供する。
【解決手段】２つの位相板Ａ，Ｂは、互いに周期方向が直交している。これに対する垂直入射光を考えると、ＡにＴＥ偏光として入射した成分はＢではＴＭ偏光、ＡにＴＭ偏光として入射した成分はＢではＴＥ偏光となる。このような配置においては、ＡとＢの２つの素子により、分散補償をすることが可能になる。図において、上側のＡが負の屈折率差分散、Ｂが正の屈折率差分散を持つものとすると、Ａだけでは波長が長くなった場合の分散量全体を補償することはできないが、Ｂによって短波長側の入射光の位相を相対的に逆方向に戻すことにより、ＡとＢ全体での位相差を波長に関わらずほぼ均一にすることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、光学素子、及びそれを使用した光学装置と偏光顕微鏡に関するものである。

直交する偏光成分間に特定の位相差を与える位相板・波長板は古くから偏光状態を変換する目的などに利用されている。例えば1/4波長板を用いれば、円偏光と直線偏光の変換を行うことができる。これらの波長板は、従来は水晶などの複屈折材料により作成されていたが、近年、サブ波長構造によってこれらを構成しようという検討がなされている。サブ波長構造を用いた位相板は、波長以下のサイズの1次元周期構造を作成することにより、構造性複屈折による異方性を利用するものである。このような素子の断面模式図を図1に示す。

サブ波長構造による素子は、複屈折材料を使ったものと比べて、加工可能な任意の材料を使用できる。また、パターンを面内で自由に配置可能であるといった優れた特徴を有している。しかし、複屈折材料によるものと同じく、どの波長においてもほぼ一定の光路長差を与えられるため、特定の位相差が与えられるのは単一の波長だけで、広い波長帯域に渡って特定の位相差を持たせることはできない。

これに対し、特開２００４−１７０６２３号公報（特許文献１）においては、波長に対して適度な大きさのピッチを持つ構造を作成することにより、帯域内の長波長側で比較的大きな光路長差が発生するようにして、比較的広い波長で同一の波長板とみなせるような光学素子を提示している。

特開２００４−１７０６２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるような光学素子においても、波長変化分を完全にカバーできるわけではなく、波長の増加に従い与えられる位相差は減少していく。より高度な偏光制御が必要となる場合は、厳密に位相差の波長特性を制御した位相板・波長板が必要となる。

例えば偏光顕微鏡では、直線偏光による照明を行い、検出光学系において偏光子を用いて入射光と直交する偏光成分のみを取り出して検出を行う。これにより被測定物体によって偏光が回転した成分のみを測定することができる。ところが、光学系において偏光方向による位相差が生じると、直線偏光のはずの照明光は楕円偏光となり、検出側偏光子を通過する成分が発生してしまう。この成分は検出の際のバックグラウンドノイズとなり、測定精度を低下させてしまうため、高精度な測定のためには観測波長帯域全体で高精度な位相補正が可能となる位相補正板が要求されることになる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、波長帯域全体で同一の位相差を与える波長板として使用可能な光学素子、他の部分で発生した位相差を補正する位相板として使用可能な光学素子、及びこれらを使用した光学装置と偏光顕微鏡を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、波長より小さなピッチの1次元周期凹凸構造と、それに直交する周期方向を持つ波長より小さなピッチの1次元周期凹凸構造を持ち、両者のduty比(凸部の幅の凹凸構造のピッチに対する比)が異なることを特徴とする光学素子である。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、当該光学素子を光が通過するとき、当該光学素子によって与えられる、互いに直角な振動方向を有する直線偏光に対する位相差が、複数の波長でほぼ同一になるように前記duty比と構造の高さが設定されていることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、当該光学素子を光が通過するとき、当該光学素子によって与えられる、互いに直角な振動方向を有する直線偏光に対する位相差が、長波長側でより大きくなるように前記duty比と構造の高さが設定されていることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、当該素子の有する複数の凹凸構造がいずれも同じ単一の材質により構成されていることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、当該光学素子の有する複数の凹凸構造のピッチが同一であることを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、当該光学素子の有する構造の周期方向が、当該光学素子の面内において、徐々にあるいは段階的に変化することを特徴とするものである。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかの光学素子を有することを特徴とする光学装置である。

前記課題を解決するための第８の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかの光学素子を有することを特徴とする偏光顕微鏡である。

本発明によれば、波長帯域全体で同一の位相差を与える波長板として使用可能な光学素子、他の部分で発生した位相差を補正する位相板として使用可能な光学素子、及びこれらを使用した光学装置と偏光顕微鏡を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を説明するが、それに先立ち、本発明の基本的な原理となっている事項について説明する。

図１のような断面を持つ１次元周期構造において、ピッチｐが波長λに比べて十分小さい場合、入射光の電場が周期方向と一致するかこれに垂直であるかにより、実効的な屈折率が異なる、いわゆる構造性複屈折現象が広く知られている。以下の説明においては、前者の偏光成分をＴＭ、後者をＴＥとすることにすると、構造性複屈折においては、ＴＭ偏光（通常の１軸性結晶における異常光成分）に対する実効的な屈折率ｎ_ｅが、ＴＥ偏光（常光成分）の実効的な屈折率ｎ_ｏに比べて小さく、負の１軸性結晶に相当する性質を示す。

この現象は、平面波による電磁場の境界条件に関する考察から説明することができる。ＴＥ偏光の場合は周期構造中で物質境界と電場Ｅが平行であるため、周期方向においてＥは連続であり一定の値を持つが、ＴＭ偏光では電束密度Ｄが連続であるため、高屈折率部分でＥの値は小さくなる。従って、電場は低屈折率部分に集中し、実効屈折率は小さくなる傾向が生じる。ここで、ｎ_１およびｎ_２は周期構造部が２種類の媒質からなる場合の媒質１と媒質２の屈折率、ｆは周期構造におけるｎ_１に相当する媒質の構成比（図１の構造では、媒質１の幅のピッチに対する比＝duty比）であるものとし、具体的に平均的なＤとＥの比率から実効屈折率を計算すると、

となり、両者の大きさに関しては、

という関係が成立する。以下ではｎ_１＞ｎ_２であるものとする。
一方、波長以下ではあるが十分に小さいとはいえない有限なピッチｐの構造に対しては、定性的には同様な性質を示すが、両者の屈折率は（ａ）式，（ｂ）式からは変化する。ｎ_１＝1.5、ｎ_２＝１の場合に対し、図１のようなライン＆スペース構造について屈折率のduty比による変化をｐ／λ＝０，0.4，0.6の場合について解析したものが図２である。ここで、ｐ／λ＝０に関しては（ａ）式、（ｂ）式を用いたが、他のデータに関しては、ＦＤＴＤ法を利用し、図１のような媒質内に平面波を伝搬させた場合の位相変化から実効屈折率を算出した。

この変化は、各領域の大きさが有限であることに起因している。有限のサイズを持つ場合、各領域内で電場が一定ではなく、分布を持つことができるが、電場は誘電率の高い領域に集まる傾向がある。このため、（ａ）式、（ｂ）式の仮定の下で、媒質１、２各領域の内部ではＥは一定の値をとるのに対し、有限サイズの領域では、１の中央部で比較的大きく、２の中央部で小さくなり、平均的には媒質１内部で電場が大きくなる傾向にある。従って、有限サイズの場合は（ａ）式、（ｂ）式で想定されているよりも大きな実効屈折率を持つことになる。

これは、ｆの値が実際よりもやや大きくなるのと同様の効果であるため、ｎ_ｏおよびｎ_ｅの変化量はこれらをｆで微分したもの、すなわち図２における曲線の傾きに類似した傾向をもつはずである。すなわち、duty比が小さい領域ではｎ_ｏの傾斜がｎ_ｅよりも大きく、ｐ／λが増加したときのｎ_ｏの増加量はｎ_ｅの増加量よりも大きくなる。duty比が大きな領域では逆にｎ_ｅの増加量の方が大きい。

この効果を確認するために、図２のデータにおいて、ｎ_ｏ−ｎ_ｅをプロットしたものが図３である。この図からは、ピッチが大きくなると、屈折率差の最大値が大きくなり、最大値を与えるduty比が小さくなることが読み取れる。予期されたように、duty比0.5付近を境界として、duty比が小さい場合は波長に対しピッチが大きいほど屈折率差は大きくなり、duty比が大きい場合はピッチが大きいほど差は小さくなる。

従って、材質屈折率の分散を無視して考えると、duty比が0.5より大きい構造の位相板を作成して一定の波長幅を持つ光源を入射させた場合、長波長側、すなわち波長に対するピッチが小さい入射光ほど屈折率差が大きくなり、従って与えられる光路長差が大きくなる。この構造を用いれば波長が大きくなることによる位相量の減少をある程度補償することはできるが、一般には波長の増加分を完全に打ち消すことができるわけではない。

そこで、複数の異なるduty比の位相板を同時に使用することを考える。例えば、図３でduty比が0.3の構造と0.7の構造を使うことを考えると、前者は「正の屈折率差分散」を持ち、後者は「負の屈折率差分散」を持つことになる。なお、ここでは波長が大きくなった場合に偏光による屈折率差が小さくなる場合を「正の屈折率差分散」、大きくなる場合を「負の屈折率差分散」と称している。このように、異なる屈折率差分散を持つ複数の構造を同時に使用することにより、与えられる光路長差・位相差を制御することが可能になる。

本発明の実施の形態の１例として、図４の模式図に示すような、２つの周期方向が直交する位相板Ａ，Ｂを考える。これに対する垂直入射光を考えると、ＡにＴＥ偏光として入射した成分はＢではＴＭ偏光、ＡにＴＭ偏光として入射した成分はＢではＴＥ偏光となる。このような配置においては、ＡとＢの２つの素子により、分散補償をすることが可能になる。図において、上側のＡが負の屈折率差分散、Ｂが正の屈折率差分散を持つものとすると、上記のように、Ａだけでは波長が長くなった場合の分散量全体を補償することはできないが、Ｂによって短波長側の入射光の位相を相対的に逆方向に戻すことにより、ＡとＢ全体での位相差を波長に関わらずほぼ均一にすることができる。

なお、特定の２波長で位相差を無くした場合でも、中間の波長においては多少の位相差が発生し、又、均一にしたはずの波長においても設計公差、製作誤差により多少の位相差が発生することがある。このため、ここでは位相差を「ほぼ」均一にできるとしている。特許請求の範囲でいう「ほぼ」もこのような意味で使用している。一般には位相差を無くしたはずの２波長での位相差が0.02rad程度であれば、「ほぼ均一」と考えてよい。

なお、「ほぼ」とは、設計公差、製作誤差により、必ずしも均一にならない場合を示し、特許請求の範囲で言う「ほぼ」もこのような意味で使用している。一般には、0.01rad以下の差であれば、ほぼ均一と考えてよい。

また、さらにＢの効き目を大きくすることにより、逆方向の分散、すなわち長波長側で大きな位相変化が生じるようにすることもできる。これは、他の素子によって生じた偏光位相差の補正に有効である。

このような効果は、使用する２つの構造の屈折率差分散が異なっていれば任意の素子で可能であり、両者が同一の材質・同一のピッチである必要は無い。しかし、エッチング、転写等の製造プロセスを考えれば、材質が同一であれば同一種類のプロセスが使用できて有利である。さらに、ピッチが同一で、duty比のみを変化させるようにすれば、例えば、同一のパターンでの露光を行い、光量を変化させるだけで必要なパターンを作成することができるため、作成のコスト上有利となる。

また前述のように、リソグラフィーなどでパターニングを行う場合、微細1次元構造による素子は、面内でその周期方向を徐々に、あるいは段階的に変化させることができる。したがって、このような素子は、面内の各点で異なる偏光方向または位相量を補正するように作成することができる。例えば光学系において光軸を中心として動径方向と円周方向で異なる位相差が生じるような場合、局所的には図４のような構造を持ち、全体としては図５のような形状の素子を作成すれば位相差の補正が可能となる。図５において、上側の要素は、円周状にパターンが形成されており、下側の要素は放射状にパターンが形成されている。よって、上側の要素のパターンの形成方向と下側の要素のパターンの形成方向は直交している。

以下、図４に示すような構造に形成された本発明の実施の形態の効果をより詳しく説明する。図４の上下の構造体を形成している媒質１はｎ＝1.5の樹脂、その間の媒質２はｎ＝１の空気とし、構造のピッチは、ｐ＝260nmというパラメータで図4のような構造の素子を想定し、白色対応波長板および位相差補正板を作成することを考える。樹脂の分散はここでは無視する。

シリコン基板上にレジストを塗布し、紫外レーザーによる干渉露光あるいはＵＶ露光装置により周期縞パターンを作成し、エッチングによるＳｉに溝パターンを刻んだ後にＵＶ硬化樹脂などにパターンを転写することにより、図１のような構造を作成することが可能である。露光、エッチングの時間を調整することにより、duty比や構造の高さを任意に調節することが可能である。高さがピッチの５〜１０倍程度以上の構造を作成するのは困難であるが、必要であれば同一パターンの素子を何枚か重ねることにより、実効的に同じ効果を得ることができる。

２つの構造として、ここでは、duty比がそれぞれｗ_Ａ／ｐ＝0.7およびｗ_Ｂ／ｐ＝0.3である構造Ａ、Ｂを使用し、波長433, 520, 650nmでの素子による効果を考える。各波長でのＡ、Ｂにおける偏光による実効屈折率差ｎ_ｏ−ｎ_ｅは、
433nm 520nm 650nm
A 0.0672 0.0730 0.0784
B 0.0970 0.0896 0.0844
となる。Ａ、Ｂの厚さがｄ_Ａおよびｄ_Ｂである場合、光路長差ｌは、

として与えられる。２つの波長においてｌ（λ）を設定し、（ｄ）式を解くことにより必要なｄ_Ａ、ｄ_Ｂの値が求められる。

例えば、1/10波長板として動作するよう、433nmと650nmで位相差が共に波長のほぼ1/10(0.628rad)になるには、厚さをそれぞれ1,350nm、500nmとすればよい。このときの各波長での位相差（rad）をＡのみ（厚さ720nm）の場合と共に示す。
433nm 520nm 650nm
Aのみ 0.760 0.635 0.546
A+B 0.613 0.650 0.616
ＡとＢを組み合わせて用いた場合には、両端の波長での位相差がほぼ一致し、中間の520nmにおける位相差の433nm, 650nmにおける位相差に対する差も、Ａのみの場合と比べて十分に小さくなっていることがわかる。

また、433nmではＴＥ、ＴＭ両偏光の位相差が一致していて、650nmでは0.1radの位相差があるような状態を補正し、全帯域で位相差を無くすための素子を作成するには、（ｄ）式よりＡ、Ｂの厚さをそれぞれ500nm, 340nm程度とすればよい。この場合、素子により与えられる位相差（rad）は、
433nm 520nm 650nm
位相差 0.009 0.073 0.102
となり、良好に位相差を補正することができる。

本発明の光学素子によれば、広い波長帯域において動作可能なように高精度で位相差を制御した位相板、波長板を作成することができる。また、光学系により生じた不要な位相差も補正することが可能である。本発明の光学素子においては、加工可能な任意の単一材料で任意の波長帯域内での波長板の作成や位相差の補正が可能となる。さらに、本発明の光学素子の構造は素子面内で周期方向・高さ等を自由に分布させることが可能であるため、面内で偏光状態が変化しているような光学系に対して一度に補正をかけることが可能である。

図６は、本発明の実施の形態の１例である偏光顕微鏡の、コンデンサレンズから対物レンズ焦点までの構成を示す模式図である。照明光は偏光子１を通って直線偏光とされ、コンデンサレンズ２により集光されて被検物体３を照明する。被検物体３を透過した光は、第１の対物レンズ４を通り、検光子５により、偏光子１を通過した照明光と直角な振動方向を持つ光のみが、第２の対物レンズ６に入って、被検物体３の中間像を結像する。

このように、偏光顕微鏡においては、照明光のうち一方向の直線偏光成分で物体を照明し、対物レンズ中に照明光と直交する直線偏光成分のみを通す検光子を配置することにより、物体で偏光が回転した成分のみを取り出して観察することが可能である。ところが、光が光学系を透過する際に、一般にはレンズ表面などで偏光成分が変化してしまうことが知られている。この成分は測定の際のバックグラウンドとなってしまうため、像のコントラストが低下してしまう。これを避けるために、偏光成分の変化を抑制する必要がある。

その方法として、1/2波長板と大曲率面を持つ屈折力のないレンズを組み合わせたレクティファイア７を用いて、偏光成分を補正して、変化を打ち消すことが行われている。ところが、このようなレクティファイア７は偏光成分の位置による特性を自由に設定できるわけではないので、偏光の変化を完全に打ち消せるわけではない。

これに対し、本発明の光学素子をレクティファイア７として使用する場合には、２つの偏光方向に任意の位相差を与えるようにすることができ、さらに位相差を入射位置に応じて自由に変化させるようにすることができる。このため、偏光成分の位置特性を含めて従来法よりも高精度で補正を行うことが可能となり、測定時のコントラストを向上させることができる。

以上、偏光顕微鏡を例として、本発明の光学素子を使用した光学装置を説明したが、本発明の光学素子は、干渉計やその他の光学装置にも、適宜使用することができる。

１次元周期構造（ライン＆スペース）の断面模式図である。図１のようなライン＆スペース構造について屈折率のduty比による変化をｐ／λ＝０，0.4，0.6の場合について解析した結果を示す図である。図２のデータにおける、ｎ_ｏ−ｎ_ｅをプロットした図である。本発明の実施の形態の１例である、２つの周期方向が直交する位相板Ａ，Ｂからなる光学素子の概要を示す図である。光学系において光軸を中心として動径方向と円周方向で異なる位相差が生じるような場合に、位相差の補正を可能とする光学素子を示す模式図である。本発明の実施の形態の１例である偏光顕微鏡の、コンデンサレンズから対物レンズ焦点までの構成を示す模式図である。

符号の説明

１…偏光子、２…コンデンサレンズ、３…被検物体、４…第１の対物レンズ、５…検光子、６…第２の対物レンズ、７…レクティファイア

Claims

波長より小さなピッチの1次元周期凹凸構造と、それに直交する周期方向を持つ波長より小さなピッチの1次元周期凹凸構造を持ち、両者のduty比(凸部の幅の凹凸構造のピッチに対する比)が異なることを特徴とする光学素子。
請求項1に記載の光学素子であって、当該光学素子を光が通過するとき、当該光学素子によって与えられる、互いに直角な振動方向を有する直線偏光に対する位相差が、複数の波長でほぼ同一になるように前記duty比と構造の高さが設定されていることを特徴とする光学素子。
請求項1に記載の光学素子であって、当該光学素子を光が通過するとき、当該光学素子によって与えられる、互いに直角な振動方向を有する直線偏光に対する位相差が、長波長側でより大きくなるように前記duty比と構造の高さが設定されていることを特徴とする光学素子。
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の光学素子であって、当該素子の有する複数の凹凸構造がいずれも同じ単一の材質により構成されていることを特徴とする光学素子。
請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の光学素子であって、当該光学素子の有する複数の凹凸構造のピッチが同一であることを特徴とする光学素子。
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の光学素子であって、当該光学素子の有する構造の周期方向が、当該光学素子の面内において、徐々にあるいは段階的に変化することを特徴とする光学素子。
請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の光学素子を有することを特徴とする光学装置。
請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の光学素子を有することを特徴とする偏光顕微鏡。