JP2007278785A - 光強度分布の観察装置および観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 実際系において生成される光強度分布を、実際系と異なる波長の光および実際系と同じ表面凹凸型の光変調素子を用いて高精度に観察することのできる観察装置。
【解決手段】 所定の光学装置において表面凹凸型で透過型の光変調素子と結像光学系とにより生成される光強度分布を観察する観察装置。本発明の観察装置は、所定の光学装置で使用される光の波長λｒとは異なる波長λｓの光で光変調素子（ＭＤ）の凹凸表面を反射照明するための観察用照明光学系（１８）と、反射照明された光変調素子からの光を結像させるための観察用結像光学系（１９）とを備えている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光強度分布の観察装置および観察方法に関し、特に所定の光学装置において光変調素子と結像光学系とにより生成される光強度分布の観察に関するものである。

微細回路パターンの露光やレーザ加工において、光変調素子と結像光学系とにより所定の光強度分布を生成し、この所定の光強度分布を有する光束を、結像光学系の像面に設定された被照射面に照射することが行われている。このとき、被照射面に生成される光強度分布は、光変調素子の作製誤差により変動することが多く、実際に生成されている光強度分布を観察して確認したいという希望は強い。ただし、光強度分布の変調の最小寸法が１μｍ程度に細かくなると、十分な解像度とダイナミックレンジとを兼ね備えた撮像素子が現存しないため、光強度分布の観察は困難である。

一例として、ガラス基板上に高機能のＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を生成するために用いられる位相変調エキシマレーザアニーリング法の例を図１１に示す。この方法を用いる結晶化装置では、図１１（ａ）に示すような光変調素子１０１により、図１１（ｂ）に示すような光強度分布の勾配を生成し、図１１（ｃ）に示すようにａ−Ｓｉ（非晶質シリコン）を溶融した後に横方向に結晶成長させて、大粒径の結晶粒１０２を生成する。このとき、生成される光強度分布の勾配の長さは典型的には５μｍであり、光強度（無変調のときの光強度を１に規格化したときの光強度）の変化範囲は、典型的には０．８−１．０である。この光強度分布を観察するには、０．５μｍ程度の解像度と、ピーク強度を１．０に規格化したときに０．０１程度の強度差を検知できるような階調再現性とを有する撮像素子が必要であるが、そのような撮像素子は存在しない。

従来、たとえば位相変調エキシマレーザアニーリング法により得られるような変調の最小寸法の小さい光強度分布を観察するための観察装置として、リソグラフィシミュレーション顕微鏡（以下、単に「シミュレーション顕微鏡」という）が開発されている（たとえば非特許文献１を参照）。

田辺功、竹花洋一、法元盛久著、「フォトマスク技術のはなし」、株式会社工業調査会、ｐ．１３４−１３６

微細回路の露光やレーザ加工では一般に縮小結像光学系（１／４倍もしくは１／５倍）を用いるが、非特許文献１に開示された従来のシミュレーション顕微鏡では拡大結像光学系を用いて得られる拡大像を撮像素子（たとえばＣＣＤ素子）により観察する。すなわち、シミュレーション顕微鏡では、結像光学系の物体側の開口数（開口角）が同じであれば、結像光学系の倍率を変えて得られる光強度分布は互いに相似であるという性質を利用している。シミュレーション顕微鏡を用いる手法では、高解像度の撮像素子を必要としないので、観察装置（以下、単に「観察系」ともいう）の構築が容易である。また、観察系では、光強度分布のうちの必要部分のみを観察すればよいため、観察対象である所定の光学装置（以下、単に「実際系」という）と同じ広さのフィールドサイズを必要としない。

ただし、従来のシミュレーション顕微鏡では、実際系と同じ波長の光を使用し、実際系と同じ開口数（開口角）の結像光学系および照明光学系を用いている。その結果、従来のシミュレーション顕微鏡では、実際系で使用される光が紫外光の場合には、レンズ材質、レンズ枚数の増加、収差の増加、無反射コートの困難性、対物レンズの入手困難性などに関連する様々な不都合があった。そこで、本出願人による特願２００６−３８３９１では、実際系において光変調素子と結像光学系とにより生成される光強度分布を、実際系と異なる波長の光を用いて観察する手法を提案している。

具体的に、上述の出願で提案された観察手法では、観察用結像光学系の開口半角を最適値に設定することにより、紫外光を用いる実際系の光強度分布を可視光で観察することができる。この観察手法では、光変調素子として表面凹凸型の位相変調素子を想定している。また、上述の出願では、光変調素子が透過型であるか反射型であるかについて明記されていないが、実際系および観察系の双方において光変調素子を透過型で使用することを前提としている。

この場合、実際系で用いた光変調素子をそのまま観察系で用いると、表面凹凸により生成される位相変調量が波長に反比例して小さくなるため、実際系よりも観察系の方が振幅（規格化された光強度の最大値と最小値との差）の小さい光強度分布が得られる。このため、撮像素子のダイナミックレンジの中の使用範囲が狭くなり階調精度が低下するとともに、光学系内の異物・汚れ、撮像素子のノイズ、照明のムラなどの影響によりＳＮ比が低下し、ひいては光強度分布を高精度に観察することが困難である。一方、実際系と観察系とで振幅の等しい光強度分布を得るには、位相変調量が同じになるように段差量の異なる観察用の光変調素子を別途作製する必要があるが、このとき両者の位相変調量を同じに作製することは困難であり、ひいては光強度分布を高精度に観察することが困難である。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、実際系において生成される光強度分布を、実際系と異なる波長の光および実際系と同じ表面凹凸型の光変調素子を用いて高精度に観察することのできる観察装置および観察方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１形態では、所定の光学装置において表面凹凸型で透過型の光変調素子と結像光学系とにより生成される光強度分布を観察する観察装置であって、
前記所定の光学装置で使用される光の波長λｒとは異なる波長λｓの光で前記光変調素子の凹凸表面を反射照明するための観察用照明光学系と、
反射照明された前記光変調素子からの光を結像させるための観察用結像光学系とを備えていることを特徴とする観察装置を提供する。

第１形態の好ましい態様によれば、前記観察用結像光学系の物体側の開口半角αｓは、前記所定の光学装置の前記結像光学系の物体側の開口半角をαｒとするとき、sinαｓ／λｓ≒sinαｒ／λｒの関係を満足する。また、前記観察用照明光学系の射出側の開口半角βｓは、前記所定の光学装置において波長λｒの光で前記光変調素子を照明する照明光学系の射出側の開口半角をβｒとするとき、sinβｓ／λｓ≒sinβｒ／λｒの関係を満足することが好ましい。

本発明の第２形態では、所定の光学装置において表面凹凸型で透過型の光変調素子と結像光学系とにより生成される光強度分布を観察する観察方法であって、
前記所定の光学装置で使用される光の波長λｒとは異なる波長λｓの光で、観察用照明光学系を介して前記光変調素子の凹凸表面を反射照明し、
反射照明された前記光変調素子からの光が観察用結像光学系を介して生成する光強度分布を観察することを特徴とする観察方法を提供する。

第２形態の好ましい態様によれば、前記光変調素子の前記凹凸表面で反射された光が前記観察用結像光学系を介して生成する光強度分布を観察する。あるいは、前記光変調素子の前記凹凸表面を通過して前記凹凸表面に近接配置または密着配置された反射面で反射された光が前記観察用結像光学系を介して生成する光強度分布を観察することが好ましい。

本発明の観察装置では、実際系において使用される光変調素子を反射照明し、光変調素子の凹凸表面で反射された光、あるいは光変調素子の凹凸表面を介して反射された光が生成する光強度分布を観察する。その結果、光変調素子の比較的大きな位相変調量に基づいて得られる振幅の大きな光強度分布を、高いＳＮ比を確保しつつ高精度に観察することができる。すなわち、本発明の観察装置では、実際系において生成される光強度分布を、実際系と異なる波長の光および実際系と同じ表面凹凸型の光変調素子を用いて高精度に観察することができる。

本発明の具体的な説明に先立ち、図１を参照して結像の原理を説明する。図１において、単色光の面光源としての光源Σからの光が、照明光学系１を介して、光変調素子のような物体Ｏを照明する。物体Ｏを透過した光は、結像光学系２を介して、その像面３に光強度分布を形成する。物体側の開口角が同じであれば、結像光学系２の結像倍率を変化させても、結像光学系２の像面３に生成される光強度分布の大きさが変わるだけで、その形状は変わらない。

そこで、説明を簡単にするために、結像光学系２の結像倍率の大きさを１として、物体Ｏ（結像光学系２の物体面）と像面３とに、像の反転を考慮した共通の座標系（ｘ,ｙ）を設定する。結像光学系２の像面３に生成される光強度分布Ｉ（ｘ',ｙ'）は下式（１）で表わされることが、H. H. Hopkinsにより示されている（たとえば鶴田著、「応用光学I」、ｐ２８２−２８３を参照）。

ただし、式（１）において、Ａ（ｘ,ｙ）≡｜ｕ₀（Ｓ；ｘ,ｙ）｜である。ｕ₀（Ｓ；ｘ,ｙ）は、光源Σ上で点Ｓに中心をもつ面要素ｄσにより、物体面上（ｘ,ｙ）に生じる光の複素振幅である。ｇ（ｘ,ｙ）は物体の複素振幅透過率分布であり、ｇ^*（ｘ,ｙ）はｇ（ｘ,ｙ）の複素共役である。ｕ（ｘ'−ｘ,ｙ'−ｙ）は物体面上の（ｘ,ｙ）の点光源（単位振幅で位相０）により生成される像面（ｘ',ｙ'）における複素振幅（もしくは複素振幅点像分布関数）であり、ｕ^*（ｘ'−ｘ,ｙ'−ｙ）はｕ（ｘ'−ｘ,ｙ'−ｙ）の複素共役である。積分域Ｏ１，Ｏ２は、物体が占める面積である。

また、式（１）において、位相コヒーレンス係数γ₁₂（ｘ₁−ｘ₂,ｙ₁−ｙ₂）は、次の式（２）で表わされる。

結像光学系２が無収差であり、結像光学系２の物体側の開口角の半分の値（以下、「開口半角」という）がαであり、照明光学系１の射出側の開口半角がβであるとすると、次の式（３ａ）〜（３ｃ）に示す関係が導かれる。なお、式（３ａ）〜（３ｃ）において、Ｊ₁は１次の第１種ベッセル関数である。
γ₁₂（ｚ₁₂）＝２Ｊ₁（ｚ₁₂）／ｚ₁₂ （３ａ）
ただし、ｚ₁₂＝（２π／λ）sinβ［（ｘ₁−ｘ₂）²＋（ｙ₁−ｙ₂）²］^1/2
ｕ（ｚ₁）＝２Ｊ₁（ｚ₁）／ｚ₁ （３ｂ）
ただし、ｚ₁＝（２π／λ）sinα［（ｘ'−ｘ₁）²＋（ｙ'−ｙ₁）²］^1/2
ｕ（ｚ₂）＝２Ｊ₁（ｚ₂）／ｚ₂ （３ｃ）
ただし、ｚ₂＝（２π／λ）sinα［（ｘ'−ｘ₂）²＋（ｙ'−ｙ₂）²］^1/2

式（３ａ）〜（３ｃ）において、結像光学系２の条件および照明光学系１の条件を表す変数はα，β，λのみであり、且つsinα／λおよびsinβ／λという形でのみ現われる。したがって、これらの値sinα／λおよびsinβ／λが実際系と観察系とで同じになるように観察系を構成すれば、式（３ａ）〜（３ｃ）の値も実際系と観察系とで同じになり、ひいては式（１）で表される光強度分布も実際系と観察系とで同じになる。すなわち、以下の式（ａ）および（ｂ）が満たされるとき、観察系で観察される光強度分布は実際系において生成される光強度分布と同じになる。
sinαｓ／λｓ＝sinαｒ／λｒ （ａ）
sinβｓ／λｓ＝sinβｒ／λｒ （ｂ）

式（ａ）および（ｂ）において、λｓは観察系で使用される光の波長であり、αｓは観察系の結像光学系の物体側の開口半角であり、βｓは観察系の照明光学系の射出側の開口半角である。また、λｒは実際系で使用される光の波長であり、αｒは実際系の結像光学系の物体側の開口半角であり、βｒは実際系の照明光学系の射出側の開口半角である。観察系で観察される光強度分布と実際系において生成される光強度分布とをほぼ一致させるには、結像光学系２に関連する式（ａ）をほぼ満足することが重要である。また、観察系で観察される光強度分布と実際系において生成される光強度分布とをさらに良好に一致させるには、結像光学系２に関連する式（ａ）をほぼ満足するとともに、照明光学系１に関連する式（ｂ）もほぼ満足することが好ましい。

本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。図２は、本発明の実施形態にかかる観察装置が適用される結晶化装置の構成を概略的に示す図である。図２を参照すると、実際系としての結晶化装置は、被処理基板２４上の非晶質シリコン膜を溶融させるエネルギ光を出力する光源として、波長λｒが３０８ｎｍのレーザ光を発振するＸｅＣｌエキシマレーザ光源２１を備えている。

ＸｅＣｌエキシマレーザ光源２１からの光は、例えばホモジナイザ（不図示）を含む照明光学系２２を介して、開口半角がβｒの光で表面凹凸型の光変調素子（位相変調素子）ＭＤを透過照明する。透過照明された光変調素子ＭＤにより変調された光は、物体側の開口半角がαｒで且つ結像倍率Ｍが例えば１／５の結像光学系２３を介して被処理基板２４に入射し、被処理基板２４の表面上に所定の光強度分布を生成する。被処理基板２４は、たとえば液晶ディスプレイ用板ガラス基板の上に化学気相成長法（ＣＶＤ）により下地膜および非単結晶膜が順次形成されたものである。

所定の光強度分布を有する光が被処理基板２４上の非単結晶半導体膜に照射されると、被照射領域内の溶融領域に温度勾配が生じ、光強度が最も低い点に対応して最初に凝固する部分もしくは溶融しない部分に結晶核が形成され、その結晶核を起点として結晶がラテラル成長する。なお、結晶化装置のさらに詳細な構成および作用については、特開２００５−２１６８９３号公報などを参照することができる。

具体的に、本実施形態の結晶化装置において、結像光学系２３の物体側開口数sinαｒは０．０３であり、コヒーレンスファクターすなわちσ値（照明光学系２２の射出側開口数／結像光学系２３の物体側開口数）は０．５である。したがって、照明光学系２２の開口数sinβｒは０．０３×０．５である。また、上述したように、結晶化装置において使用される光の波長λｒは３０８ｎｍである。

図３は、本発明の実施形態にかかる観察装置の構成を概略的に示す図である。図３を参照すると、本実施形態にかかる観察系としての観察装置は、光源としてのハロゲンランプ１１を備えている。ハロゲンランプ１１から供給された光は、例えばホモジナイザ（不図示）を含む面光源形成光学系１２ａを介して、多数の小光源からなる実質的な面光源（二次光源）１２ｂを形成する。面光源１２ｂからの光束は、開口絞り１２ｃにより制限された後、バンドパスフィルター１２ｄを介して、所定の波長帯域を有し且つ中心波長λｓの光となる。

バンドパスフィルター１２ｄを通過した光は、集光光学系１２ｅおよびハーフミラー１２ｆを介して、多数の小光源からなる実質的な面光源１２ｇを形成する。面光源１２ｇからの光束は、第１対物光学系１３を介して、実際系と同じ光変調素子ＭＤを照明する。ただし、本実施形態の観察装置では、実際系と同じ光変調素子ＭＤを反射照明している。反射照明された光変調素子ＭＤからの光は、第１対物光学系１３を介して集光され、開口絞りＡＳで制限された後、ハーフミラー１２ｆに入射する。

ハーフミラー１２ｆを透過した光は、第２対物光学系１４を介して、デジタルカメラ１５の撮像面に所定の光強度分布を生成する。すなわち、面光源形成光学系１２ａ，開口絞り１２ｃ，バンドパスフィルター１２ｄ，集光光学系１２ｅ，ハーフミラー１２ｆおよび第１対物光学系１３は、中心波長がλｓで且つ開口半角がβｓの光で光変調素子ＭＤを反射照明する観察用照明光学系１８を構成している。第１対物光学系１３，開口絞りＡＳおよび第２対物光学系１４は、反射照明された光変調素子ＭＤからの光を結像させて所定の光強度分布を生成する観察用結像光学系１９を構成している。

ここで、観察用照明光学系１８の射出側（光変調素子ＭＤ側）の開口半角βｓ（ひいては観察用照明光学系１８の射出側の開口数sinβｓ）は、実質的な面光源１２ｂの形成位置またはその近傍に配置された開口絞り１２ｃにより規定される。観察用結像光学系１９の物体側（光変調素子ＭＤ側）の開口半角αｓ（ひいては観察用結像光学系１９の物体側の開口数sinαｓ）は、観察用結像光学系１９の瞳位置またはその近傍に配置された開口絞りＡＳにより規定される。

図４は、本実施形態において使用される光変調素子ＭＤの位相変調パターンを概略的に示す図である。図４を参照すると、本実施形態の光変調素子ＭＤは、０度の基準位相値を有する基準位相領域（図中空白部で示す）５ａと、所定の変調用位相値（光変調素子ＭＤの位相変調量に対応）を有する矩形状の変調位相領域（図中斜線部で示す）５ｂとを周期的に有する。ここで、変調位相領域５ｂは、面積を変えてたとえば所定のピッチにしたがって縦横に配置されている。

そして、正方形状の単位セル５ｃに対する変調位相領域５ｂの占有面積率（デューティ）は、図中水平方向に沿って０％〜５０％の間で変化している。具体的には、位相パターンの繰り返し単位領域５ｄの両側における変調位相領域５ｂの占有面積率は５０％であり、繰り返し単位領域５ｄの中央における変調位相領域５ｂの占有面積率は０％であり、その間において変調位相領域５ｂの占有面積率が単調に変化している。なお、単位セル５ｃは、結像光学系２３の点像分布範囲以下の寸法を有する。

図５は、透過型で使用されたときの光変調素子ＭＤの位相変調量を説明する図である。図５に示すように、光変調素子ＭＤが透過型で使用される場合、基準位相領域５ａを通過した光線Ｌａと変調位相領域５ｂを通過した光線Ｌｂとの間に生じる位相変調量θは、次の式（４）で表わされる。
θ＝２π（ｎ−１）ｄ／λ （４）

式（４）において、ｎは光変調素子ＭＤの凹凸形状の凸部を形成する光学材料の平均屈折率であり、ｄは光変調素子ＭＤの凹凸形状の段差であり、λは光の波長である。具体的に、本実施形態の光変調素子ＭＤは、屈折率ｎが１．４６の石英により形成され、凹凸形状の段差ｄは１３０ｎｍに設定されている。結晶化装置では、使用される光の波長λｒが３０８ｎｍであるから、結晶化装置において透過型で使用される光変調素子ＭＤの位相変調量θは７０度になる。

結晶化装置では、位相変調量θが７０度の光変調素子ＭＤを用いて結像光学系２３の像面に生成される光強度分布を理論的に計算（シミュレーション）すると、図６（ｂ）に示すような形状の光強度分布が得られた。すなわち、結像光学系２３の像面（フォーカス位置）では、変調位相領域５ｂの占有面積率が５０％である位置に対応して光強度が最も小さく、変調位相領域５ｂの占有面積率が０％である位置に対応して光強度が最も大きいＶ字状の光強度分布が得られた。なお、図６（ｂ）において、縦軸は無変調のときの強度を１に規格化したときの光強度を示し、横軸は位置を示している。この表記は、図６（ａ）、図６（ｃ）、図７（ａ）〜（ｃ）、および図１０においても同様である。

結像光学系２３から離れる方向に結像光学系２３の像面から１４０μｍだけデフォーカスした位置（第１デフォーカス位置）では、図６（ａ）に示すように変形したＶ字状の光強度分布が得られた。結像光学系２３の像面から結像光学系２３へ近づく方向に１４０μｍだけデフォーカスした位置（第２デフォーカス位置）では、図６（ｃ）に示すように変形したＶ字状の光強度分布が得られた。

次に、比較例として、観察装置において光変調素子ＭＤを透過照明して観察される光強度分布について考える。この比較例では、使用される光の波長λｓが５５０ｎｍであり、観察装置と結晶化装置との間で上述の式（ａ）および（ｂ）の双方が満たされているものとする。この場合、式（４）にλ＝５５０ｎｍを代入して得られるように、比較例の観察装置において透過型で使用される光変調素子ＭＤの位相変調量θは３９度になる。比較例の観察装置では、位相変調量θが３９度の光変調素子ＭＤを用いて観察用結像光学系の像面に生成される光強度分布を理論的に計算すると、図７（ｂ）に示すような形状の光強度分布が得られた。すなわち、観察用結像光学系の像面（フォーカス位置）では、図６（ｂ）に示す光強度分布に対応するＶ字状の光強度分布が得られた。

また、上記第１デフォーカス位置に対応するように観察用結像光学系の物体面に対して光変調素子ＭＤをデフォーカスさせたときに、観察用結像光学系の像面では、図７（ａ）に示すように、図６（ａ）に示す光強度分布に対応する形状の光強度分布が得られた。また、上記第２デフォーカス位置に対応するように観察用結像光学系の物体面に対して光変調素子ＭＤをデフォーカスさせたときに、観察用結像光学系の像面では、図７（ｃ）に示すように、図６（ｃ）に示す光強度分布に対応する形状の光強度分布が得られた。

上述したように、結晶化装置で用いる光変調素子ＭＤをそのまま比較例の観察装置において透過型で用いる場合、比較例の観察装置と結晶化装置との間で上述の式（ａ）および（ｂ）の双方を満たすことにより、結晶化装置で生成される光強度分布に対応する形状の光強度分布を観察することができる。しかしながら、比較例の観察装置で使用される光の波長λｓの方が結晶化装置で使用される光の波長λｒよりも大きいため、比較例の観察装置における光変調素子ＭＤの位相変調量θの方が結晶化装置における光変調素子ＭＤの位相変調量θよりも小さくなる。

その結果、例えば図６（ｂ）と図７（ｂ）とを対比して明らかなように、比較例の観察装置で得られる光強度分布の振幅（規格化された光強度の最大値と最小値との差）は結晶化装置で得られる光強度分布の振幅よりも小さくなる。このように、結晶化装置で用いる光変調素子ＭＤをそのまま観察装置において透過型で用いる場合、実際系としての結晶化装置よりも振幅の小さい光強度分布しか得られないため、撮像素子のダイナミックレンジの中の使用範囲が狭くなり階調精度が低下するとともに、光学系内の異物・汚れ、撮像素子としてのノイズ、光変調素子に対する照明のムラなどの影響によりＳＮ比が低下し、ひいては光強度分布を高精度に観察することが困難である。

一方、結晶化装置（実際系）と観察装置（観察系）とで振幅の等しい光強度分布を得るには、位相変調量が同じになるように段差量の異なる観察用の光変調素子を別途作製する必要がある。具体的に、結晶化装置では段差ｄｒが１３０ｎｍの光変調素子ＭＤを用いているので、比較例の観察装置では下記の式（５）を満足する段差ｄｓ≒２３２ｎｍの光変調素子ＭＤ’を別途作製する必要がある。
２π（ｎ−１）ｄｒ／λｒ＝２π（ｎ−１）ｄｓ／λｓ （５）

一般に、光変調素子の凹凸形状の段差量が異なると、作製のためのプロセス条件が異なるため、パターンの太りや細りの発生などにより、位相変調パターンの寸法が異なってしまう可能性がある。また、実際系用の光変調素子の段差と観察用の光変調素子の段差との比が上式（５）に示す条件から外れると、振幅の等しい光強度分布が得られなくなる。さらに、比較的小さい段差の実際系用の光変調素子よりも、比較的大きい段差の観察用の光変調素子を作製する方が困難である。以上のように、結晶化装置と観察装置とで振幅の等しい光強度分布を得るために段差量の異なる観察用の光変調素子を別途作製する手法では、段差量の比較的大きい観察用の光変調素子を高精度に作製することは困難であり、ひいては光強度分布を高精度に観察することが困難である。

これに対し、図３に示す本実施形態の観察装置では、実際系と同じ光変調素子ＭＤを反射照明し、光変調素子ＭＤからの光が観察用結像光学系１９を介して生成する光強度分布を観察する。具体的に、本実施形態では、図８（ａ）〜（ｃ）に示す方式にしたがって光変調素子ＭＤを反射照明し、光変調素子ＭＤの凹凸表面で反射された光が観察用結像光学系１９を介して生成する光強度分布を観察する。

図８（ａ）に示すＡ方式では、光変調素子ＭＤの凹凸表面が、観察用照明光学系１８からの光の入射側（図３中において下側）に向くように設定されている。この場合、基準位相領域５ａに入射して反射された光線Ｌａと変調位相領域５ｂに入射して反射された光線Ｌｂとの間に生じる位相変調量θは、次の式（４Ａ）で表わされる。
θ＝４πｄ／λ （４Ａ）

図８（ｂ）に示すＢ方式では、光変調素子ＭＤの凹凸表面が、観察用照明光学系１８からの光の入射側（図３中において下側）に向き、且つ光変調素子ＭＤの凹凸表面が屈折率ｎ’を有する媒質層３１に接するように設定されている。具体的に、媒質層３１は、屈折率ｎ’が１．７４のヨウ化メチレンにより形成され、光変調素子ＭＤとカバーガラス３２との間に保持されている。カバーガラス３２は、光変調素子ＭＤの凹凸表面と反対側の平面に平行に配置された平行平面板である。

Ｂ方式の光変調素子ＭＤでは、カバーガラス３２および媒質層３１を介して基準位相領域５ａに入射した光線が、基準位相領域５ａで反射され、媒質層３１およびカバーガラス３２を介して観察用結像光学系１９へ入射する。同様に、カバーガラス３２および媒質層３１を介して変調位相領域５ｂに入射した光線は、変調位相領域５ｂで反射され、媒質層３１およびカバーガラス３２を介して観察用結像光学系１９へ入射する。Ｂ方式の場合、基準位相領域５ａに入射して反射された光線Ｌａと変調位相領域５ｂに入射して反射された光線Ｌｂとの間に生じる位相変調量θは、次の式（４Ｂ）で表わされる。
θ＝４πｎ’ｄ／λ （４Ｂ）

図８（ｃ）に示すＣ方式では、光変調素子ＭＤの凹凸表面と反対側の平面が、観察用照明光学系１８からの光の入射側（図３中において下側）に向くように設定されている。Ｃ方式の光変調素子ＭＤでは、光変調素子ＭＤの内部を通過して基準位相領域５ａに入射した光線が、基準位相領域５ａで反射され、光変調素子ＭＤの内部を通過して観察用結像光学系１９へ入射する。同様に、光変調素子ＭＤの内部を通過して変調位相領域５ｂに入射した光線は、変調位相領域５ｂで反射され、光変調素子ＭＤの内部を通過して観察用結像光学系１９へ入射する。

Ｃ方式の場合、基準位相領域５ａに入射して反射された光線Ｌａと変調位相領域５ｂに入射して反射された光線Ｌｂとの間に生じる位相変調量θは、次の式（４Ｃ）で表わされる。
θ＝４πｎｄ／λ （４Ｃ）

なお、Ａ方式、Ｂ方式およびＣ方式では、光変調素子ＭＤの凹凸表面における反射率を向上させて観察を容易にするために、たとえばアルミニウムからなる反射膜３３を凹凸表面に形成（蒸着）することが好ましい。また、Ｃ方式では、光反射性の媒質（例えば水銀などの液体金属）を光変調素子ＭＤの凹凸表面に接触させることにより、凹凸表面における反射率を向上させて観察を容易にすることもできる。さらに、図８（ｂ）では、光変調素子ＭＤの凹凸表面に近接するようにカバーガラス３２を配置しているが、カバーガラス３２を凹凸表面に密着配置することもできる。この場合、媒質層３１は基準位相領域５ａの領域にのみ形成されることになるが、式（４Ｂ）で示す位相変調量θは変わらない。

また、本実施形態では、図９（ａ）および（ｂ）に示す方式にしたがって光変調素子ＭＤを反射照明し、光変調素子ＭＤの凹凸表面を通過して凹凸表面に近接配置または密着配置された平面状の反射面で反射された光が観察用結像光学系１９を介して生成する光強度分布を観察することもできる。

図９（ａ）に示すＤ方式では、光変調素子ＭＤの凹凸表面と反対側の平面が観察用照明光学系１８からの光の入射側（図３中において下側）に向き、且つ光変調素子ＭＤの凹凸表面に近接して平面状の反射面３４が設けられている。反射部材としての反射面３４は、光変調素子ＭＤの凹凸表面と反対側の平面に平行であり、例えば石英ガラス基板の表面にアルミニウムの薄膜を蒸着することにより形成されている。

Ｄ方式の光変調素子ＭＤでは、光変調素子ＭＤの内部および基準位相領域５ａを通過して反射面３４に入射した光線が、反射面３４で反射され、基準位相領域５ａおよび光変調素子ＭＤの内部を通過して観察用結像光学系１９へ入射する。同様に、光変調素子ＭＤの内部および変調位相領域５ｂを通過して反射面３４に入射した光線は、反射面３４で反射され、変調位相領域５ｂおよび光変調素子ＭＤの内部を通過して観察用結像光学系１９へ入射する。

Ｄ方式の場合、基準位相領域５ａを二度通過して光変調素子ＭＤから射出された光線Ｌａと、変調位相領域５ｂを二度通過して光変調素子ＭＤから射出された光線Ｌｂとの間に生じる位相変調量θは、次の式（４Ｄ）で表わされる。
θ＝４π（ｎ−１）ｄ／λ （４Ｄ）

図９（ｂ）に示すＥ方式は、図９（ａ）に示すＤ方式に類似しているが、光変調素子ＭＤと反射面３４との間に屈折率ｎ’を有する媒質層３５が形成されている点がＤ方式と相違している。具体的に、媒質層３５は、上述の媒質層３１と同様に、屈折率ｎ’が１．７４のヨウ化メチレンにより形成されている。Ｅ方式の光変調素子ＭＤでは、光変調素子ＭＤの内部、基準位相領域５ａおよび媒質層３５を通過して反射面３４に入射した光線は、反射面３４で反射され、媒質層３５、基準位相領域５ａおよび光変調素子ＭＤの内部を通過して観察用結像光学系１９へ入射する。

同様に、光変調素子ＭＤの内部、変調位相領域５ｂおよび媒質層３５を通過して反射面３４に入射した光線は、反射面３４で反射され、媒質層３５、変調位相領域５ｂおよび光変調素子ＭＤの内部を通過して観察用結像光学系１９へ入射する。Ｅ方式の場合、基準位相領域５ａを二度通過して光変調素子ＭＤから射出された光線Ｌａと、変調位相領域５ｂを二度通過して光変調素子ＭＤから射出された光線Ｌｂとの間に生じる位相変調量θは、次の式（４Ｅ）で表わされる。
θ＝４π（ｎ−ｎ’）ｄ／λ （４Ｅ）

なお、Ｄ方式およびＥ方式では、光変調素子ＭＤの凹凸表面と反射面３４との間隔が、観察用結像光学系１９の焦点深度（λｓ／sin²αｓ）の１／２に比して大きくなると、デフォーカス（ぼけ）により本来の光強度分布が得られなくなる。そのため、光変調素子ＭＤの凹凸表面と反射面３４との間隔を観察用結像光学系１９の焦点深度の１／２以下に設定することが望ましい。ちなみに、図９（ａ）および（ｂ）では、光変調素子ＭＤの凹凸表面から間隔を隔てて反射面３４を配置しているが、例えば真空吸着により反射面３４を凹凸表面に密着配置することもできる。このとき、Ｅ方式では、媒質層３５は基準位相領域５ａの領域にのみ形成されることになるが、式（４Ｅ）で示す位相変調量θは変わらない。

また、上述のＢ方式およびＥ方式では、媒質層３１および媒質層３５をヨウ化メチレンにより形成しているが、これに限定されることなく、１よりも大きい屈折率を有する適当な媒質、たとえば水（屈折率ｎ’が１．３３）のような液体を用いて媒質層３１および媒質層３５を形成することができる。

次の表（１）に、実際系としての結晶化装置において光変調素子ＭＤを透過型で用いた場合、比較例の観察装置において光変調素子ＭＤを透過型で用いた場合、本実施形態の観察装置において光変調素子ＭＤをＡ方式〜Ｅ方式の反射型で用いた場合について、光変調素子ＭＤの位相変調量を表わす式、この式に含まれる各パラメータ、および位相変調量θ（度）を示す。表（１）の各パラメータにおいて、段差ｄおよび波長λの単位はｎｍである。

表（１）
位相変調量を表わす式 ｎ ｎ’ ｄ λ θ
実際系 ２π（ｎ−１）ｄ／λ 1.46 130 308 70
比較例 ２π（ｎ−１）ｄ／λ 1.46 130 550 39
Ａ方式 ４πｄ／λ 1.46 130 550 170
Ｂ方式 ４πｎ’ｄ／λ 1.46 1.74 130 550 296
Ｃ方式 ４πｎｄ／λ 1.46 130 550 248
Ｄ方式 ４π（ｎ−１）ｄ／λ 1.46 130 550 78
Ｅ方式 ４π（ｎ−ｎ’）ｄ／λ 1.46 1.74 130 550 48

表（１）を参照すると、本実施形態の観察装置において光変調素子ＭＤをＡ方式〜Ｅ方式の反射型で用いる場合、比較例の観察装置において光変調素子ＭＤを透過型で用いる場合よりも、変調素子ＭＤの位相変調量θが大きくなっている。この傾向は、観察装置において使用される光の波長λｓに依存することなく成立する。また、Ｅ方式を除く各方式の反射型で光変調素子ＭＤを用いる場合、実際系としての結晶化装置において光変調素子ＭＤを透過型で用いる場合よりも、光変調素子ＭＤの位相変調量θが大きくなっている。

このように、本実施形態の観察装置では、実際系としての結晶化装置において使用される光変調素子ＭＤを反射照明し、光変調素子ＭＤの凹凸表面で反射された光、あるいは光変調素子ＭＤの凹凸表面を介して反射された光が生成する光強度分布を観察する方式を採用しているので、光変調素子ＭＤの比較的大きな位相変調量θに基づいて得られる振幅の比較的大きな光強度分布を、比較的高いＳＮ比を確保しつつ高精度に観察することができる。換言すれば、本実施形態の観察装置では、実際系としての結晶化装置において生成される光強度分布を、実際系と異なる波長の光および実際系と同じ表面凹凸型の光変調素子ＭＤを用いて高精度に観察することができる。

また、本実施形態では、観察装置と結晶化装置との間で上述の式（ａ）および（ｂ）の双方を満たすとともに、結晶化装置において透過型で用いるときの光変調素子ＭＤの位相変調量と観察装置において反射型で用いるときの光変調素子ＭＤの位相変調量とが一致するように、観察装置における光の波長λｓを適宜選択することにより、観察装置と結晶化装置とで同じ光変調素子ＭＤを用いて、観察装置と結晶化装置とで振幅の等しい光強度分布を得ることができる。以下、２つの実施例に基づいて、観察装置における光の波長λｓを適宜選択することにより、結晶化装置と同じ光変調素子ＭＤを用いて、結晶化装置と同じ振幅で同じ形状の光強度分布を観察することができることを説明する。

［第１実施例］
第１実施例の観察装置では、Ｄ方式にしたがって光変調素子ＭＤを反射照明する。この場合、結晶化装置における光変調素子ＭＤの位相変調量θｒと観察装置における光変調素子ＭＤの位相変調量θｓとを一致させるには、観察装置における光の波長λｓが次の式（６）に示す関係を満たす必要がある。すなわち、位相変調量θｒと位相変調量θｓとを一致させる光の波長λｓは、次の式（７）に示すように６１６ｎｍになる。
θｓ＝４π（ｎ−１）ｄ／λｓ＝２π（ｎ−１）ｄ／λｒ＝θｒ （６）
λｓ＝２λｒ＝２×３０８＝６１６ｎｍ （７）

こうして、第１実施例の観察装置では、バンドパスフィルター１２ｄとして、所定の波長帯域を有し且つ中心波長λｓが６１６ｎｍの可視光を選択的に透過させる特性を有するバンドパスフィルターを用いている。また、第１実施例の観察装置では、結晶化装置との間で上述の式（ａ）および（ｂ）の双方を満たすように、観察用結像光学系１９の物体側開口数sinαｓを０．０６とし、σ値を実際系と同じ０．５としている。したがって、観察用照明光学系１８の射出側開口数sinβｓは０．０６×０．５である。

また、観察用結像光学系１９には、結像倍率の大きさが２０倍で且つ焦点距離が１０ｍｍの第１対物レンズ１３を用いている。そして、この第１対物レンズ１３の瞳位置に直径１．２ｍｍの開口を有する開口絞りＡＳを設けて、観察用結像光学系１９の物体側開口数sinαｓを０．０６に設定している。また、観察用結像光学系１９により２０倍に拡大された画像としての光強度分布を、２１０万画素の２／３インチＣＣＤを有するデジタルカメラ１５により検出している。

こうして、上述の式（ａ）の左辺sinαｓ／λｓの値および右辺sinαｒ／λｒの値、並びに式（ｂ）の左辺sinβｓ／λｓの値および右辺sinβｒ／λｒの値は次の通りである。
sinαｓ／λｓ＝０．０６／６１６ｎｍ＝９．７×１０^-5ｎｍ^-1
sinαｒ／λｒ＝０．０３／３０８ｎｍ＝９．７×１０^-5ｎｍ^-1
sinβｓ／λｓ＝０．０６×０．５／６１６ｎｍ＝４．９×１０^-5ｎｍ^-1
sinβｒ／λｒ＝０．０３×０．５／３０８ｎｍ＝４．９×１０^-5ｎｍ^-1

第１実施例の観察装置では、中心波長λｓが６１６ｎｍの可視光でＤ方式にしたがって光変調素子ＭＤを反射照明したときに観察用結像光学系１９の像面に生成される光強度分布を理論的に計算すると、図１０に示すような形状の光強度分布が得られた。すなわち、観察用結像光学系１９の像面（フォーカス位置）では、結晶化装置において波長λｒが３０８ｎｍの紫外光で光変調素子ＭＤを透過照明したときに結像光学系２３の像面に生成される光強度分布（図６（ｂ）に示す光強度分布）と同じ振幅で同じ形状の光強度分布が得られた。

［第２実施例］
第２実施例の観察装置では、Ａ方式にしたがって光変調素子ＭＤを反射照明する。この場合、結晶化装置における光変調素子ＭＤの位相変調量θｒと観察装置における光変調素子ＭＤの位相変調量θｓとを一致させるには、観察装置における光の波長λｓが次の式（８）に示す関係を満たす必要がある。すなわち、位相変調量θｒと位相変調量θｓとを一致させる光の波長λｓは、次の式（９）に示すように１３３９ｎｍになる。
θｓ＝４πｄ／λｓ＝２π（ｎ−１）ｄ／λｒ＝θｒ （８）
λｓ＝２λｒ／（ｎ−１）＝２×３０８／（１．４６−１）＝１３３９ｎｍ （９）

こうして、第２実施例の観察装置では、バンドパスフィルター１２ｄとして、所定の波長帯域を有し且つ中心波長λｓが１３３９ｎｍの赤外光を選択的に透過させる特性を有するバンドパスフィルターを用いている。また、第２実施例の観察装置では、結晶化装置との間で上述の式（ａ）および（ｂ）の双方を満たすように、観察用結像光学系１９の物体側開口数sinαｓを０．１３とし、σ値を実際系と同じ０．５としている。したがって、観察用照明光学系１８の射出側開口数sinβｓは０．１３×０．５である。

また、観察用結像光学系１９には、結像倍率の大きさが２０倍で且つ焦点距離が１０ｍｍの第１対物レンズ１３を用いている。そして、この第１対物レンズ１３の瞳位置に直径２．６ｍｍの開口を有する開口絞りＡＳを設けて、観察用結像光学系１９の物体側開口数sinαｓを０．１３に設定している。また、観察用結像光学系１９により２０倍に拡大された画像としての光強度分布を、２１０万画素の２／３インチＣＣＤを有するデジタルカメラ１５により検出している。

こうして、上述の式（ａ）の左辺sinαｓ／λｓの値および右辺sinαｒ／λｒの値、並びに式（ｂ）の左辺sinβｓ／λｓの値および右辺sinβｒ／λｒの値は次の通りである。
sinαｓ／λｓ＝０．１３／１３３９ｎｍ＝９．７×１０^-5ｎｍ^-1
sinαｒ／λｒ＝０．０３／３０８ｎｍ＝９．７×１０^-5ｎｍ^-1
sinβｓ／λｓ＝０．１３×０．５／１３３９ｎｍ＝４．９×１０^-5ｎｍ^-1
sinβｒ／λｒ＝０．０３×０．５／３０８ｎｍ＝４．９×１０^-5ｎｍ^-1

第２実施例の観察装置では、中心波長λｓが１３３９ｎｍの赤外光でＡ方式にしたがって光変調素子ＭＤを反射照明したときに観察用結像光学系１９の像面に生成される光強度分布を理論的に計算すると、図１０に示すような形状の光強度分布が得られた。すなわち、第２実施例では第１実施例と同様に、観察用結像光学系１９の像面（フォーカス位置）では、結晶化装置において波長λｒが３０８ｎｍの紫外光で光変調素子ＭＤを透過照明したときに結像光学系２３の像面に生成される光強度分布（図６（ｂ）に示す光強度分布）と同じ振幅で同じ形状の光強度分布が得られた。

なお、上述の説明では、第１実施例においてＤ方式を採用し、第２実施例においてＡ方式を採用しているが、その他のＢ方式、Ｃ方式およびＥ方式にしたがって光変調素子ＭＤを反射照明する場合も、観察装置における光の波長λｓを適宜選択することにより、結晶化装置と同じ光変調素子ＭＤを用いて、結晶化装置と同じ振幅で同じ形状の光強度分布を観察することができる。

具体的に、Ｂ方式、Ｃ方式およびＥ方式を採用する場合、結晶化装置における光変調素子ＭＤの位相変調量θｒと観察装置における光変調素子ＭＤの位相変調量θｓとを一致させるために、観察装置における光の波長λｓが次の式（１０Ｂ）、（１０Ｃ）および（１０Ｅ）に示す関係を満たす必要がある。
θｓ＝４πｎ’ｄ／λｓ＝２π（ｎ−１）ｄ／λｒ＝θｒ （１０Ｂ）
θｓ＝４πｎｄ／λｓ＝２π（ｎ−１）ｄ／λｒ＝θｒ （１０Ｃ）
θｓ＝４π（ｎ−ｎ’）ｄ／λｓ＝２π（ｎ−１）ｄ／λｒ＝θｒ （１０Ｅ）

また、上述の説明では、結晶化装置を実際系として本発明を説明しているが、これに限定されることなく、結晶化装置以外の他の一般的な実際系において光変調素子と結像光学系とにより生成される光強度分布の観察に対しても同様に本発明を適用することができる。

結像の原理を説明する図である。 本発明の実施形態にかかる観察装置が適用される結晶化装置の構成を概略的に示す図である。 本発明の実施形態にかかる観察装置の構成を概略的に示す図である。 本実施形態において使用される光変調素子ＭＤの位相変調パターンを概略的に示す図である。 透過型で使用されたときの光変調素子ＭＤの位相変調量を説明する図である。 結晶化装置において光変調素子ＭＤを透過型で用いて生成される光強度分布を示す図であって、（ａ）は第１デフォーカス位置、（ｂ）はフォーカス位置、（ｃ）は第２デフォーカス位置に生成される光強度分布をそれぞれ示している。 比較例の観察装置において光変調素子ＭＤを透過型で用いて生成される光強度分布を示す図であって、（ａ）は第１デフォーカス位置、（ｂ）はフォーカス位置、（ｃ）は第２デフォーカス位置に対応して生成される光強度分布をそれぞれ示している。 本実施形態の観察装置において光変調素子ＭＤを反射照明する３つの方式を説明する図であって、（ａ）はＡ方式を、（ｂ）はＢ方式を、（ｃ）はＣ方式をそれぞれ示している。 本実施形態の観察装置において光変調素子ＭＤを反射照明する別の２つの方式を説明する図であって、（ａ）はＤ方式を、（ｂ）はＥ方式をそれぞれ示している。 第１実施例の観察装置において光変調素子ＭＤをＤ方式で反射照明したときにフォーカス位置に生成される光強度分布を示す図である。 ガラス基板上に薄膜トランジスタを生成するために用いられる位相変調エキシマレーザアニーリング法の例を概略的に示す図である。

符号の説明

Σ 光源
１ 照明光学系
Ｏ 物体
２ 結像光学系
ＭＤ 光変調素子
１１ 光源
１５ デジタルカメラ（撮像素子）
１８ 観察用照明光学系
１９ 観察用結像光学系
２２ 結晶化装置の照明光学系
２３ 結晶化装置の結像光学系

Claims (20)

1. 所定の光学装置において表面凹凸型で透過型の光変調素子と結像光学系とにより生成される光強度分布を観察する観察装置であって、
   前記所定の光学装置で使用される光の波長λｒとは異なる波長λｓの光で前記光変調素子の凹凸表面を反射照明するための観察用照明光学系と、
   反射照明された前記光変調素子からの光を結像させるための観察用結像光学系とを備えていることを特徴とする観察装置。
2. 前記観察用結像光学系の物体側の開口半角αｓは、前記所定の光学装置の前記結像光学系の物体側の開口半角をαｒとするとき、
   sinαｓ／λｓ≒sinαｒ／λｒ
   の関係を満足することを特徴とする請求項１に記載の観察装置。
3. 前記観察用照明光学系の射出側の開口半角βｓは、前記所定の光学装置において波長λｒの光で前記光変調素子を照明する照明光学系の射出側の開口半角をβｒとするとき、
   sinβｓ／λｓ≒sinβｒ／λｒ
   の関係を満足することを特徴とする請求項２に記載の観察装置。
4. 前記観察装置で使用される光の波長λｓは、前記所定の光学装置において用いられる前記光変調素子の位相変調量と、前記観察装置において用いられる前記光変調素子の位相変調量とがほぼ等しくなるように設定されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の観察装置。
5. 前記光変調素子の前記凹凸表面は前記観察用照明光学系からの光の入射側に向くように設定され、前記凹凸表面で反射された光が前記観察用結像光学系に入射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の観察装置。
6. 前記観察装置で使用される光の波長λｓは、前記光変調素子の前記凹凸形状の凸部を形成する光学材料の平均屈折率をｎとし、前記凹凸形状の段差をｄとし、前記所定の光学装置で使用される光の波長をλｒとするとき、
   ２π（ｎ−１）ｄ／λｒ≒４πｄ／λｓ
   の関係を満足することを特徴とする請求項５に記載の観察装置。
7. 前記光変調素子の前記凹凸表面は前記観察用照明光学系からの光の入射側に向き、且つ前記凹凸表面は１よりも大きい所定の屈折率を有する媒質層に接し、前記媒質層を通過して前記凹凸表面で反射された光が前記観察用結像光学系に入射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の観察装置。
8. 前記観察装置で使用される光の波長λｓは、前記光変調素子の前記凹凸形状の凸部を形成する光学材料の平均屈折率をｎとし、前記凹凸形状の段差をｄとし、前記所定の光学装置で使用される光の波長をλｒとし、前記媒質層の屈折率をｎ’とするとき、
   ２π（ｎ−１）ｄ／λｒ≒４πｎ’ｄ／λｓ
   の関係を満足することを特徴とする請求項７に記載の観察装置。
9. 前記光変調素子の前記凹凸表面と反対側の平面は前記観察用照明光学系からの光の入射側に向くように設定され、前記光変調素子の内部を通過して前記凹凸表面で反射された光が前記観察用結像光学系に入射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の観察装置。
10. 前記観察装置で使用される光の波長λｓは、前記光変調素子の前記凹凸形状の凸部を形成する光学材料の平均屈折率をｎとし、前記凹凸形状の段差をｄとし、前記所定の光学装置で使用される光の波長をλｒとするとき、
    ２π（ｎ−１）ｄ／λｒ≒４πｎｄ／λｓ
    の関係を満足することを特徴とする請求項９に記載の観察装置。
11. 前記光変調素子の前記凹凸表面は、光反射性の媒質に接していることを特徴とする請求項９または１０に記載の観察装置。
12. 前記光変調素子の前記凹凸表面には反射膜が設けられていることを特徴とする請求項５乃至１１のいずれか１項に記載の観察装置。
13. 前記光変調素子の前記凹凸表面と反対側の平面は前記観察用照明光学系からの光の入射側に向き、且つ前記凹凸表面に近接配置または密着配置された反射面が設けられ、前記光変調素子の内部および前記凹凸表面を通過して前記反射面で反射された光が前記観察用結像光学系に入射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の観察装置。
14. 前記観察装置で使用される光の波長λｓは、前記光変調素子の前記凹凸形状の凸部を形成する光学材料の平均屈折率をｎとし、前記凹凸形状の段差をｄとし、前記所定の光学装置で使用される光の波長をλｒとするとき、
    ２π（ｎ−１）ｄ／λｒ≒４π（ｎ−１）ｄ／λｓ
    の関係を満足することを特徴とする請求項１３に記載の観察装置。
15. 前記光変調素子の前記凹凸表面と反対側の平面は前記観察用照明光学系からの光の入射側に向き、前記凹凸表面に近接配置または密着配置された反射面が設けられ、且つ前記凹凸表面と前記反射面との間に１よりも大きい所定の屈折率を有する媒質層が設けられ、前記光変調素子の内部、前記媒質層および前記凹凸表面を通過して前記反射面で反射された光が前記観察用結像光学系に入射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の観察装置。
16. 前記観察装置で使用される光の波長λｓは、前記光変調素子の前記凹凸形状の凸部を形成する光学材料の平均屈折率をｎとし、前記凹凸形状の段差をｄとし、前記所定の光学装置で使用される光の波長をλｒとし、前記媒質層の屈折率をｎ’とするとき、
    ２π（ｎ−１）ｄ／λｒ≒４π（ｎ’−ｎ）ｄ／λｓ
    の関係を満足することを特徴とする請求項１５に記載の観察装置。
17. 所定の光学装置において表面凹凸型で透過型の光変調素子と結像光学系とにより生成される光強度分布を観察する観察方法であって、
    前記所定の光学装置で使用される光の波長λｒとは異なる波長λｓの光で、観察用照明光学系を介して前記光変調素子の凹凸表面を反射照明し、
    反射照明された前記光変調素子からの光が観察用結像光学系を介して生成する光強度分布を観察することを特徴とする観察方法。
18. 前記光変調素子の前記凹凸表面で反射された光が前記観察用結像光学系を介して生成する光強度分布を観察することを特徴とする請求項１７に記載の観察方法。
19. 前記光変調素子の前記凹凸表面を通過して前記凹凸表面に近接配置または密着配置された反射面で反射された光が前記観察用結像光学系を介して生成する光強度分布を観察することを特徴とする請求項１７に記載の観察方法。
20. 前記観察用結像光学系の像面またはその近傍に生成される光強度分布を撮像素子により検出することを特徴とする請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の観察方法。

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