JP4011902B2 - Birefringence measuring apparatus and method considering wavelength dependence - Google Patents

Birefringence measuring apparatus and method considering wavelength dependence Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長依存性を考慮した複屈折測定装置及び方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年のオプトエレクトロニクスの発展に伴い、工学分野では、射出成形品、光ディスク、薄膜製品、結晶を用いた光学素子、高分子フィルム、及び液晶等の需要が急速に増加してきている。これに従い、このような製品の品質評価を定量的に行う定量評価法の1つとして、複屈折計測が注目されている。
【0003】
とくに、高分子材料や結晶は、その複屈折の波長依存性が非常に強く、高次の複屈折を持つことが知られており、従ってこのような複屈折の波長依存性や高次複屈折に対する計測の要求がある。また、工学分野での材料評価では、波長依存性を考慮した複屈折計測が望まれている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の単色光を用いた偏光計測方法では、複屈折の波長依存性はもちろんのこと、位相が2π[rad]で折りたたまれてしまうといった理由で、高次複屈折の計測は不可能であった。
【0005】
これに関連する技術の一例として、白色光を用いた分光偏光計測が提案され、とくに分光エリプソメトリの分野では、3つの正弦状に振動する成分からなるチャネルスペクトルを用いてストークスパラメータを求めるものが研究されている(例えば、「K.Oka et al:Opt.Lett.24,21,pp1475(1999)」)。この研究は、あくまで点計測に留まるものであり、2次元計測には適用できず、複屈折分布と複屈折の波長依存性(以下、必要に応じ「複屈折分散」と呼ぶ場合もある)の同時測定や高次複屈折の計測には使用できない。
【0006】
これとは別に、本願発明者らによる複屈折計測の手法(特開平2001−141602号公報)では、偏光の分光干渉を用いて高次複屈折を定量的に評価するものが提案されている。この複屈折計測の手法では、サンプル(測定対象)のもつ複屈折の影響で光強度が波数に対して余弦状に変化することに着目し、高分解能な最大エントロピー法(MEM:Maximum Entropy Method)を用いて周波数解析し、これで得られるスペクトルの中心周波数を読むことで、複屈折計測に使用する光信号の1波長よりも大きな高次複屈折を求めることが可能になっている。
【0007】
しかしながら、この手法では、たしかに分光測定と周波数解析法を用いて高次複屈折を測定できるが、複屈折の波長依存性を特に意識したものではなく、従ってその計測には使用できない。
【0008】
本発明は、このような従来の事情を背景になされたもので、高次複屈折に加え、複屈折の波長依存性を考慮した複屈折計測を実現することを主要な目的とする。
【0009】
また、本発明は、上記の主要な目的に加え、点計測のみならず、2次元計測に適用し得る拡張性及び実用度の高い複屈折計測を可能とすることを更なる目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を達成するため、本願発明者らにより先に提案されている分光測定と周波数解析法を用いた高次複屈折の測定方法の利点を活用しつつ、さらに複屈折の波長依存性を考慮に入れた複屈折計測の手法を提案する。
【0011】
この手法では、上記の高次複屈折の測定方法で提案されている複屈折位相差Δの計算式(Δ=δn・d・k、δnは複屈折、dは試料の厚さ、kは波数)を、その複屈折δnの波長依存性を考慮して「周波数情報」(高次複屈折の次数に対応する次数項)と「位相情報」(複屈折の波長依存性を含む分散項)との展開として考え、その「周波数情報」と「位相情報」を高速フーリエ変換法(FFT:Fast Fourier Transform)を用いて計算して求めることにより、高次複屈折の絶対値に加え、複屈折の波長依存性を示す相対値を計測する複屈折計測を可能とするものである(後述する「本発明の基本測定原理」参照)。
【0012】
本発明に係る波長依存性を考慮した複屈折測定装置は、測定対象の複屈折に関する情報を担う光信号を取得する複屈折測定光学系と、前記複屈折測定光学系により取得された前記光信号の光強度分布を示す波形データから高次複屈折の次数を含む周波数成分及び波長依存性を担う位相成分を解析し、その解析データから前記高次複屈折に加え、前記波長依存性を示す複屈折を周波数成分項と分散項とに分けて求める解析装置とを有することを特徴とする。
【0013】
本発明の1つの側面として、前記複屈折測定光学系は、白色光源と、この白色光源からの光信号の光路上における前記測定対象を挟む位置に配置される一対の偏光子及び検光子と、この検光子から出射される前記測定対象の複屈折に関する情報を担う光信号をその波長毎に分光して前記解析装置に出力する分光器とを有する点計測光学系から構成される。
【0014】
本発明の別の側面として、前記複屈折測定光学系は、白色光源と、この白色光源からの光信号から特定の波長成分を可変で取り出す音響光学素子と、この音響光学素子により取り出された光信号の光路上における前記測定対象を挟む位置に配置される一対の偏光子及び検光子と、この検光子から出射される前記測定対象の複屈折に関する情報を担う光信号を撮影して前記解析装置に出力する撮像素子とを有する2次元計測光学系から構成される。
【0015】
前記解析装置は、本発明の好適な例として、前記光信号の波数をkとし、前記測定対象の複屈折、複屈折位相差、厚さ、及び主軸方位をそれぞれδ、Δ(k)、d、及びφとし、前記複屈折δの周波数成分項、分散項、及び位相情報をそれぞれδn0、δλ、φ(k)と表したときに、前記波長依存性を含む複屈折位相差Δ(k)を、
【数6】

Figure 0004011902
の関係を満たすように波形解析で周波数情報と位相情報との和として求めるデータ処理手段を備える。
【0016】
前記データ処理手段は、本発明の好適な例として、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる周波数の振幅スペクトルの内のスペクトル分布の頂点の周波数、及びそのスペクトル分布の開始点の周波数をそれぞれf、及びfとし、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる位相、前記波数kの最小値、及び最大値をそれぞれφ(k)、kmin、kmaxとしたとき、前記波長依存性を考慮した複屈折位相差Δ(k)を、
【数7】
Figure 0004011902
の関係を満たすように波形解析で求める手段である。
【0017】
前記データ処理手段は、本発明の好適な例として、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる周波数の振幅スペクトルの内のスペクトル分布の開始点の周波数をfとし、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる位相、前記波数kの最小値、及び最大値をそれぞれφ’(k)、kmin、kmaxとしたとき、前記波長依存性を考慮して複屈折位相差Δ(k)を、
【数8】
Figure 0004011902
の関係を満たすように波形解析で求める手段である。
【0018】
前記データ処理手段は、本発明の好適な例として、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる周波数の振幅スペクトルの内のスペクトル分布の開始点の周波数をfとし、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる位相、前記波数kの最小値、及び最大値をそれぞれφ’(k)、kmin、kmaxとしたとき、前記複屈折位相差Δ(k)を、
【数9】
Figure 0004011902
の関係を満たすように波形解析で求める手段である。
【0019】
前記データ処理手段は、本発明の好適な例として、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる周波数の振幅スペクトルの内のスペクトル分布の頂点の周波数をfとし、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる位相、前記波数kの最小値、及び最大値をそれぞれφ’(k)、kmin、kmaxとしたとき、前記複屈折位相差Δ(k)を、
【数10】
Figure 0004011902
の関係を満たすように波形解析で求める手段である。
【0020】
本発明に係る波長依存性を考慮した複屈折測定方法は、測定対象の複屈折に関する情報を担う光信号の光強度分布を示す波形データから高次複屈折の次数を含む周波数成分及び波長依存性を担う位相成分を解析し、その解析データから前記高次複屈折に加え、前記波長依存性を示す複屈折をキャリア成分項と分散項とに分けて求めることを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る波長依存性を考慮した複屈折測定装置及び方法の実施の形態を添付図面を参照して具体的に説明する。
【0022】
最初に、本発明における波長依存性を考慮した複屈折計測の基本測定原理図1及び図2に基づいてを説明する。ここでは、点計測の適用例を詳細に説明するが、この基本測定原理は、後述するように2次元測定にも拡張できるものである。
【0023】
図1に示す点計測用の複屈折測定装置1は、白色ランプを用いた白色光源10及びその出射系(光ファイバケーブル11a、コリメータレンズ11b)と、その白色光源10から出射される白色光の光路上で、サンプルSa(測定試料)を挟んで対向する位置に並設される1対の偏光子12及び検光子13と、その出射光の光路上に配置される分光器14(回折格子(又はプリズム)14a、リニアCCD(受光素子アレイ)14b)及びその入射系(集光レンズ15a、光ファイバケーブル15b)と、分光器14の出力側に接続され、本発明の測定原理に基づく解析アルゴリズムを実行する解析装置(コンピュータ)として用いるPC(パーソナルコンピュータ)16とを備えている。
【0024】
この構成によれば、白色光源10からの出射光がその出射系11a、11bを介して方位45度の偏光子12、サンプルSa、及び方位45度の検光子13を順次透過し、そのサンプルSaの複屈折情報を持った透過光の光信号として、分光器14にその入射系15a、15bを介し入力される。そして、この光信号は、分光器14内部の回折格子14aを介しそのリニアCCD14bにより各波長λにおける光強度I(λ)として測定され、PC16に送られる。
【0025】
上記で得られる透過光の光強度I(λ)は、図1中(中段)に示すように、次の(1)式で表される。
【0026】
【数11】
Figure 0004011902
この(1)式において、IDCはバイアス成分(直流成分)、S(λ)はシステムの透過特性(システム依存係数、波長透過率特性)、φは偏光子12とサンプルSaの主軸方位の差、ΔはサンプルSaの複屈折位相差をそれぞれ示す。
【0027】
この内、サンプルSaの複屈折位相差Δは、図1中(中段)に示すように、次の(2)式で表される。
【0028】
【数12】
Figure 0004011902
この(2)式において、λは波長、δはサンプルSaのもつ複屈折、dはサンプルSaの厚さ、kは波数(k=1/λ)をそれぞれ示す。
【0029】
上記(2)式のようにサンプルSaの複屈折位相差Δを波数kを用いて表すことができるため、上記(1)式の光強度I(λ)は、図1中(下段)に示すように波数kに対し余弦状に変化する波形として実測される。
【0030】
そこで、このように波数kに対し余弦状に変化する波形分布を示す光強度I(λ)に対し、PC16の処理により、最大エントロピー法を用いて高分解な周波数解析を行い、この解析で得られる周波数スペクトルの中心周波数を読むことにより、サンプルSaのもつ複屈折δ(複屈折位相差Δ及び主軸方位φ)の計測が行われる。ここまでの複屈折計測の原理は、特開2001−141602号公報で提案されているものと同様である。
【0031】
上記の原理では、図1に示すように波数kに対し余弦状に変化する光強度I(λ)の成分がどの波数kに対しても周期が変わらず、すなわち単一周期で構成されるものとして解析を行っているが、実際には、図1中(下段)に示すように、光強度I(λ)の成分が波数kによって周期が僅かに変化している。これは、複屈折が波長依存性を示すためである。
【0032】
そこで、本発明では、上記原理に加え、多くのサンプルSaが示す複屈折の波長依存性を考慮して、光強度I(λ)が波長λ(又は波数k)によって周期が異なることに着目し、その波長依存性を含めた複屈折計測を実現することをその主眼とするものである。このことを図2を参照して説明する。
【0033】
図2中(上段)に示すように、まず、上記(2)式は、複屈折位相差Δの波長依存性を考慮すると、複屈折δをキャリア成分項δn0及び分散項δλに分けて考えることができるため、δ=δn0+δλを代入して両項δn0、δλにそれぞれ展開して整理すると、次の(3)式が得られる。
【0034】
【数13】
Figure 0004011902
この(3)式において、φ(k)は位相情報を示す。
【0035】
この(3)式及び図2中(上段)に示すように、波長依存性を含む複屈折位相差Δ(k)は、複屈折の次数に対応して位相差が2π、4π、6π、…と大きく変化する次数項としての「周波数情報」と、複屈折の波長依存性により位相差が僅かに変化する分散項としての「位相情報」とをそれぞれ計算し、両者の和として求めることができる。
【0036】
そこで、図2中(中段)に示すように、「周波数情報」及び「位相情報」は、上記のように得られた分光光強度信号、すなわち波数kに対し余弦状に変化する光強度I(λ)の成分に対して、FFT(高速フーリエ変換法)を用いて求めることができる。具体的には、透過光の光強度分布(波数kに対する光強度I(λ)の分布)に対しFFTによるフーリエ変換を行い、そのスペクトル分布に所定の窓関数を掛け、そのスペクトルをゼロ次にシフトした後、フーリエ逆変換を行うことにより「位相情報」を求めると共に、フーリエ変換によって取り除かれるキャリア周波数成分である「周波数情報」を振幅スペクトル分布の半値幅等から求める(詳細は後述参照)。
【0037】
図2中(中段)の例は、透過光の光強度分布のフーリエ解析で得られる振幅スペクトルの広がりから「周波数情報」を、またフーリエ逆変換で得られる位相から「位相情報」をそれぞれ求める場合を説明するものである。
【0038】
ここで、図2中(中段左側)に示す「周波数情報」において、fは、振幅スペクトルの中心周波数、fは、fの1/e(f=f×1/e)の周波数をそれぞれ示す。ここでのfの取り方の基準は、あくまで便宜的なものであり、スペクトルの半値を用いても良く、要するに、スペクトルの幅を決める位置と、その周波数の関係とが求められれば、どの位置を選択しても構わない。また、図2中(中段右側)に示す「位相情報」において、Kmin及びKmaxは、それぞれ計測される波数kの最小値及び最大値を示す。
【0039】
以上の周波数解析を元に得られる「周波数情報」と「位相情報」を上記(3)式中に入れて整理すると、次の(4)式が得られる。
【0040】
【数14】
Figure 0004011902
この(4)式を元に「周波数情報」と「位相情報」を計算すれば、サンプルSaの波長依存性を考慮した複屈折位相差Δ(k)が求まることになる。
【0041】
以上の測定原理に基づく解析アルゴリズムは、予めPC16上のプロセッサ(CPU)がその動作時に実行可能なプログラムとして、そのプロセッサに接続される半導体メモリ(可搬型のICカード等も含む)、ハードディスク、リムーバブルメディア(フロッピーディスク、光磁気ディスク(MO)、CD−ROM、CD−R、CD−RW、DVD−ROM等)等の記録媒体に記録され、測定時にそのプロセッサにより実行される。
【0042】
すなわち、PC16のプロセッサによるプログラム処理により、以上の測定原理に基づく解析アルゴリズムが実行され、上記(4)式に従ってサンプルSaの波長依存性を考慮した複屈折位相差Δが求められる。
【0043】
なお、上記の波形解析では、フーリエ変換で得られたスペクトルから「周波数情報」及び「位相情報」を求める処理方法として、スペクトルをゼロ次にシフトする方法を説明しているが、本発明はこれに限らず、後述するように種々の手法が採用できる。
【0044】
また、上記の波形解析では、代表的な周波数解析方法であるFFTを用いているが、本発明はこれに限らず、波数kに対し余弦状に変化する光強度I(λ)(分光光強度信号)の周波数、強度、及び位相が計算できる手法であれば、いずれの波形解析方法でも適用可能である。
【0045】
また、上記の光強度I(λ)を表す(1)式は、1対の偏光子12及び検光子13が互いに「平行ニコル」となるように配置された場合の式であるが、両者12、13が互いに「直交ニコル」となるように配置された場合は、上記(1)式に代えて、次の(1a)式で表される(これは、特開2001−141602号公報で記載されているものと同様である)。
【0046】
【数15】
Figure 0004011902
【0047】
また、上記の例では、回折格子(又はプリズム)及びリニアCCD(受光素子アレイ)を有する分光器(マルチチャンネル型の分光器)を例示してあるが、本発明はこれに限らず、例えば、回折格子やプリズムを回転させて回折角の異なる波長を次々に出射スリットに導く構造をもつ波長走査型や波長選択型の分光器等であってもよい。
【0048】
次に、サンプルSの主軸方位φの計測・解析方法を図3に基づいて説明する。この例では、位相シフト法を用いた場合を例示している。
【0049】
まず、図3中(上段)に示すように、前述した複屈折測定装置1において、1対の偏光子12及び検光子13が互いに平行ニコル(直交ニコルでも構わない)の状態となるようにセッティングされ、その間にサンプルSaが置かれる。この状態で、検光子13からの出射光の光強度I(λ)が前述した分光器14にて測定される。この光強度I(λ)は、図3中(中段)に示すように前述した(1)式で表現でき、これを展開すると、次の(5)式のように表現できる。
【0050】
【数16】
Figure 0004011902
【0051】
この(5)式より、位相シフト法を用いてサンプルSaの主軸方位φを求めることができる。すなわち、この位相シフト法では、図3中に示すように、1対の偏光子12と検光子13を一緒に回転させて上記(5)式中のシフト量θを与えることにより、主軸方位φが次の(6)式で計算できる。
【0052】
【数17】
Figure 0004011902
【0053】
この(6)式において、I、I、I、及びIは、偏光子12と検光子13を同時に22.5度ずつ回転させたときのシフト量θがそれぞれ0度、22.5度、45度、及び67.5度の位置における光強度を示す。
【0054】
なお、上記の主軸方位φの計測・解析には、位相シフト法を用いた場合を例示してあるが、偏光子と検光子を回転することによって得られる光強度の変化(余弦波状に変化する)の初期位相が得られれば、どの様な手法(例えば、FFT)を使っても構わない。
【0055】
従って、上述した本発明の基本測定原理によれば、従来例では測定できなかったサンプルSaの波長依存性を考慮した複屈折δ、すなわち複屈折位相差Δについて、前述した通り、フーリエ解析により得られるスペクトルの「周波数情報」から高次複屈折の次数を含めた絶対値を、また「位相情報」から複屈折δの波長依存性を示す相対値をそれぞれ求めることができる。さらに、サンプルSaの主軸方位φを例えば位相シフト法を用いて求めることができる。
【0056】
以上の例は、本発明の基本測定原理を点計測に適用した場合であるが、次に2次元計測に適用した例を説明する。
【0057】
図4は、2次元計測用の複屈折測定装置2の構成例を示す。この例では、複屈折測定装置2は、ハロゲンランプ(白色光源)20及びその出射系(光ファイバケーブル21a、コリメータレンズ21b)と、そのハロゲンランプ20から出射される白色光の光路上に配置される光学系、すなわちAOTF(Acousto−Optic Tunable Filter:音響光学チューナブルフィルタ(音響光学素子))22、ビームエキスパンダ(レンズ系)23、サンプルSaを挟む1対の偏光子24及び検光子25、集束光学系(レンズ系)26、及びCCDカメラ27と、このCCDカメラ27の出力側に接続され、本発明の測定原理に基づく解析アルゴリズムを実行する解析及び制御装置として用いるPC28と、このPC28からの指令を受けてAOTF22の動作を制御するAOTFコントローラ29とを備えている。
【0058】
この内、AOTF22は、AOTFコントローラ29からの電気的な制御により、入射される白色光のバンド帯域の中心波長を変化させることにより、特定の波長を取り出すバンドパスフィルタとして機能する。
【0059】
上記の構成によれば、まず、ハロゲンランプ20から出射される白色光が光ファイバケーブル21aを通りコリメータレンズ21bからAOTF22に照射される。この照射光は、AOTF22により特定の波長λ(波数k)をもつ光として出射され、その出射光がレンズ系23でコリメートされ、サンプルSaを挟む方位45度の1対の偏光子24及び検光子25に入射される。そして、この検光子25からの出射光は、サンプルSaのもつ複屈折の情報を担う光として、レンズ系26を透過した後、CCDカメラ27により計測画像として撮り込まれ、PC28に送られる。
【0060】
図5は、上記で取り込まれる計測画像の例を示す。この例に示すように、計測画像は、例えば128枚の画像(画素数の例:256(縦方向)×512(横方向))から構成される。この各画像は、波長λが450〜610[nm]の範囲内で波数kの値が順次変化して異なるようにAOTF22で制御された出射光による計測画像にそれぞれ対応するものである(図中の例ではk=k、k、…、k:n=128)。このときのAOTF22の制御は、PC28からの指令によりAOTFコントローラ29を介して行われる。
【0061】
なお、取り込む画像は、この例の128枚に限らず、その後に行われるフーリエ解析を効率良く利用できるものであれば、いずれの枚数でもよい。また、画像を取り込む枚数を増やす程、高次の複屈折が測定できるため、その点も考慮に入れて画像枚数を決めることが望ましい。
【0062】
図6は、上記のように取り込まれる計測画像を元にPC28の処理で実行される2次元解析の手順を説明するものである。
【0063】
まず、図6中(上段)に示すように、上記で得られた例えば128枚の波数k(k=k、k、…、k:n=128)毎の計測画像(画素数の例:256(縦方向)×512(横方向))は、それぞれ同一座標位置の画素Pcal毎に、波数k(k、k、…、k:n=128)に対する光強度I(λ)の変化を表す光強度分布(横軸:波数k、縦軸:光強度I(λ))のデータとして変換される。
【0064】
ここで、各画素毎に得られる各波数kに対する光強度I(λ)は、前述の(1)式に従って変化するため、これから後の処理は、各画素毎に前述の点計測の場合と同様のフーリエ変換及びその後の解析アルゴリズムを用いることが出来る。具体的には、各画素毎に変換された光強度分布のデータに適当な窓関数を掛けてフーリエ変換を行い、これで得られたスペクトルをゼロ次にシフトしてフーリエ逆変換を行う。
【0065】
このフーリエ解析により、図6中(中段左側)に示すように、計測画像の画素毎に前述と同様の「周波数情報」と「位相情報」が得られる((4)式参照)。ここでの「周波数情報」の計算に際しては、スペクトルデータを補間し、キャリア周波数を求め、また、「位相情報」の計算に際しては、FFTによるフーリエ逆変換で得られるデータ列中に2πを越える部分が生じた場合にはアンラッピング法(後述参照)を用いて、連続した位相となるように修正する。
【0066】
次いで、以上の波形解析で求まる「周波数情報」と「位相情報」を元に、図6中(中段右側)に示すように、前述した(4)式に従って波長依存性を考慮した複屈折、すなわち波数kに対する複屈折位相差Δの分布が求まる。
【0067】
以上の一連の解析処理は、計測画像上の全画素で実行され、これで得られた波数kに対する複屈折位相差Δの分布データが一定の波長λ(λ、λ、…、λ:n=128)毎の複数画像に変換され、図6中(下段)に示すように、波長λ毎の複屈折の2次元分布を示す画像が得られる。なお、サンプルSaの主軸方位φについては、上記と同様に位相シフト法やFFT等の方法を用いて計測することができる。
【0068】
ここで、上記で計測される複屈折の2次元分布の実測例を説明する。この実測例で測定対象としたサンプル(被測定試料)Saは、ポリマーフィルム(位相フィルム)と水晶板の2試料である。
【0069】
(ポリマーフィルムの計測結果)
まず、ポリマーフィルムの計測結果を図7〜図10に基づいて説明する。この例では、被測定試料としてアクリル基板上に階段状に積層させたポリマーフィルムを用いて、前述した波長依存性を考慮した2次元複屈折分布を計測している。
【0070】
図7(a)は、この計測で使用されたポリマーフィルムの外観(写真)、図7(b)は、図7(a)中のX−X’線に沿ったポリマーフィルムの断面、図7(c)は、この計測で撮影されたポリマーフィルムの原画像(撮影範囲:28(縦)[mm]×28(横)[mm]、画素数:128×128)をそれぞれ示す。図7(b)に示すように、ポリマーフィルムの1枚当たりの厚さは60[μm]で、その複屈折位相差Δは、波長550[nm]のときに2π[rad]である。また、図7(c)に示す原画像では、ポリマーフィルムの内、フィルム枚数が11枚、10枚、及び9枚の各積層部分(11層、10層、及び9層)の各境界位置が分かる部分が図中の左側から右側に順に撮影されている。
【0071】
図8は、上記のポリマーフィルムに対し、波長λ=460、500、532、550、及び608[nm]の各条件で計測及び解析された波長λ毎の複屈折分布を表す画像を示す。この複屈折分布を示す複屈折位相差Δの大きさは、Δ=50〜100[rad]の範囲内で変化しており、その分布の様子が画像を見て容易に分かるように、例えばグレイスケール(例えば、Δ=50〜100が黒色〜白色に変化)を用いて表示しているが、これに限らず、カラースケール(例えば、Δ=50〜100が紫色〜青色〜緑色〜黄緑色〜黄色〜赤色に順次変化)を用いてカラー表示してもよい。
【0072】
図8に示すように、波長λの異なる各画像のどの画像を見ても、ポリマーフィルム上でフィルム枚数が11層、10層、及び9層と変化するに従って(各画像中の左右方向)、複屈折位相差Δがその境界部で変化していること、また、波長λの異なる各画像を比較すると、波長λが長くなるにつれて、複屈折位相差Δが小さくなっていることが、それぞれ明瞭に確認された。
【0073】
図9は、波長λ=550[nm]の条件で計測及び解析された複屈折分布を表す画像上のA−A’線(図7(c)参照)に沿った断面位置に対するポリマーフィルムの複屈折位相差Δの変化を示す。図9に示す結果では、複屈折位相差Δは、A−A’線断面位置上におけるポリマーフィルム上のフィルム枚数が11層から10層に変化する位置と10層から9層に変化する位置の2個所で、それぞれ約2π[rad]の段差が明瞭に確認された。この結果は、本発明の基本測定原理に基づく手法により定量的な複屈折計測が行われていることを実証するものである。これは、従来例の単色光を用いた偏光計測では、計測できなかったものである。
【0074】
図10は、波長λ=532[nm]の条件で計測及び解析されたポリマーフィルムの主軸方位φの2次元分布を示す画像で、図中の例では主軸方位φの方向をグレイスケール(φ=−30[度]〜30[度])による画像表示及びその画像上で格子状に配列された測定点でのベクトルの向きでそれぞれ示している。図10に示す結果では、ポリマーフィルムの主軸方位φは、どの位置でもほぼ1方向に揃っており、約0度を示していることが確認された。
【0075】
(水晶板の計測結果)
次に、水晶板の計測結果を図10〜図12に基づいて説明する。この例では、被測定対象としてくさび型にカットされた水晶板を用いて、その2次元複屈折位相差分布を計測している。
【0076】
図11(a)は、この計測で使用された水晶板の外観(写真)、図11(b)は、X−X’線に沿った水晶板の断面、図11(c)は、この計測で撮影された原画像をそれぞれ示す。図11(b)に示すように、水晶板はその厚さが連続して変化しており、図11(c)に示す原画像上では、図中の上側(A−A’線のA側)が厚い部分に相当し、そこから下側(A−A’線のA’側)に向って順次薄くなっている。
【0077】
図12は、上記と同様の波長λ(λ=460、500、532、550、及び608[nm])の条件で計測及び解析された波長λ毎の2次元複屈折分布を表す画像を示す。図12に示すように、解析された水晶板の複屈折分布を示す複屈折位相差Δの大きさは、大きいところで250[rad]、小さいところで100[rad]という結果となり、どの波長λの画像も水晶板の厚さ方向に複屈折位相差Δが変化している様子が良く確認された。また、波長λの異なる各画像を比較すると、上記と同様に、波長λが長くなるにつれて、複屈折位相差Δが小さくなっていることが確認された(なお、図12中で観察される画像中のムラは、水晶板の製造時に生じた研磨ムラであると考えられる)。
【0078】
図13は、波長λ=567[nm]の条件で計測及び解析された2次元複屈折分布を表す画像上のA−A’線(図7(c)参照)に沿った断面位置に対する水晶板の複屈折位相差Δの変化を示す。図13に示す結果では、複屈折位相差Δが直線的に変化している様子が示され、信頼性の高い測定値を表していることが確認された。
【0079】
図14は、波長λ=532[nm]の条件で計測及び解析された水晶板の主軸方位φの2次元複屈折分布を示す画像で、上記と同様に、主軸方位φの方向をグレイスケール及びベクトルでそれぞれ示している。図14に示す結果では、水晶板の主軸方位φは、各測定点でのベクトルの向きで見ると、ほぼ同じ方向を向いているが、グレイスケールで見ると、画像は均一となっておらず、縞状の分布が観察される。本来、水晶の結晶の方位はこのような縞状の分布を示すことはないため、これは測定誤差と考えられる。この誤差発生の原因は、複屈折位相差Δがπ/2、3π/2、及び5π/2と変化しているところで、前述した(6)式から位相シフト法が使用できない特異点が存在しているためと考えられる。
【0080】
次に、上記のポリマーフィルム及び水晶板で計測及び解析された各複屈折位相差Δ(複屈折δ)の波長依存性における計測結果を説明する。
【0081】
図15(a)は、波長λに対する複屈折位相差Δの変化(縦軸:複屈折位相差Δ[rad]、横軸:波長λ[nm])を、図15(b)は、波長λに対する複屈折δの変化(縦軸:複屈折位相差Δ[rad]、横軸:波長λ[nm])をそれぞれ示す。図15(a)及び(b)において、実線で示す曲線はポリマーフィルムの測定結果、点線で示す曲線は水晶板の測定結果、三角印(△)で示す点は公知文献(理科年表)から計算で求めた複屈折値、ひし形印(◇)示す点は所定のメーカから公表されているカタログ値(図15(a)のみ)をそれぞれ示す。
【0082】
図15(a)及び(b)に示すポリマーフィルム及び水晶板の各測定結果は、いずれも、理科年表の複屈折値及びメーカのカタログ値とほぼ一致する傾向が確認され、これにより、本発明による複屈折計測の手法を用いた波長依存性の計測の有効性が確認された。なお、図15(a)に示す結果では、ポリマーフィルムの測定結果による複屈折位相差がカタログ値よりも若干大きめの傾向を示しているが、この原因はサンプルを光学系にセットするときに光軸に対し多少傾いていた為であると考えられる。この場合でも、ポリマーフィルムの測定結果及びカタログ値における複屈折位相差の波長依存性の傾向は、ほぼ同じとなっている。
【0083】
従って、本実施の形態による複屈折計測によれば、点計測に限らず2次元計測でも、従来例では測定できなかった複屈折の波長依存性を含めた測定を精度良く実現することができる。
【0084】
なお、上記の波長依存性を考慮した2次元複屈折計測では、白色光の中から特定の波長を取り出す方法として、AOTF(Acousto−Optic Tunable Filter:音響光学チューナブルフィルタ)を用いた例を説明しているが、本発明はこれに限らず、例えば、干渉フィルタを複数枚並べて順次提示する方法、複屈折性のバンドパスフィルタ(これはフィルタを光軸に対して傾斜させることで、透過光の中心波長を変化させることが出来る)等であってもよい。
【0085】
また、上記の波数に対し余弦状に変化する分光データ(光強度分布)のフーリエ解析で得られるスペクトルから「位相情報」及び「周波数情報」を求めるための処理方法については、図2中(中段及び下段)に示す手法に限らず、その他、種々の手法が適用できる。以下、この各手法の適用例を図16〜図19に基づいて説明する。
【0086】
図16は、前述した(4)式の計算例を含む解析手順の概要を示す。図16に示す解析手順では、前述した本発明の基本測定原理に従って、分光データ(光強度分布データ)を取得し(ステップSt1)、この分光データに適用な窓関数を掛け(ステップSt2)、フーリエ解析によりスペクトルを求め(ステップSt3)、このスペクトルから「周波数情報」と「位相情報」を求め(ステップSt4)、これで得られた「位相情報」から複屈折の波長依存性を示す相対値を、また「周波数情報」から高次複屈折の次数を含めた絶対値をそれぞれ求めるものである(ステップSt5)。
【0087】
まず、ステップSt1にて、取得される分光データは、図16中(上段)に示すように、フーリエ変換により波数kに対し余弦状に変化する光強度I(λ)の式(前述の(1)式)で表される。この式は、複屈折位相差Δが波長依存性をもつΔ(λ)と考えると、図16中の(1)´式に置き換えることができる。そして、この複屈折位相差Δ又はΔ(λ)は、前述で説明した通り、(2)式から(3)式に展開して「周波数情報」と「位相情報」の計算から求めることができる。
【0088】
そのため、ステップSt2にて、光強度I(λ)の式で表される分光データに窓関数を掛ける演算を行う。この演算式は、例えば次の式(7)式で表される。
【0089】
【数18】
Figure 0004011902
この(7)式において、Iω(k)は窓関数をかけた光強度I(λ)、Iは窓関数を掛ける前の光強度I(λ)、A−B・cos(2πk/k)は窓関数、A、Bは定数(任意)、kはデータサンプリング数をそれぞれ示す。
【0090】
この処理によって、図16中(中段)に示すように、光強度I(λ)分布のスペクトルの中心が測定波数領域の中心と一致するようになる。ここで、A、Bの値の仮定は任意であるが、スペクトル解析による周波数fのスペクトル上のfの位置を決定するためのスペクトル強度に相関があるため、実際にA、Bを決める際は、この点を考慮する必要がある。
【0091】
次いで、ステップSt3にて、上記で窓関数をかけた光強度I(λ)からフーリエ解析により周波数fのスペクトルを求める。この周波数fのスペクトルは、図16中(下段)に示すように、周波数f=0(ゼロ次)からシフトした位置にピークをもっている。
【0092】
そこで、ステップSt4にて、上記の周波数fのスペクトルから「周波数情報」と「位相情報」を求めるが、このときの処理方法は、1)スペクトルをゼロ(0)次にシフト(スペクトルのピークであるfの位置をf=0の位置にシフト)して逆変換を行う方法(前述の基本測定原理で説明する方法で、図2及び(4)式参照)、2)スペクトルを0次にシフトしないでフーリエ逆変換を行う方法(後述の図17参照)、3)スペクトルをf(f)分だけシフト(スペクトルのfの位置をf=0の位置にシフト)してフーリエ逆変換を行う方法(後述の図18参照)、4)スペクトルのfをそのまま用いてフーリエ逆変換を行う方法(後述の図19参照)等、いずれの方法でも適用可能である。
【0093】
図17は、上記ステップSt4における、2)スペクトルを0次にシフトしないでフーリエ逆変換を行う方法を説明するものである。この方法によれば、上記で得られる周波数fのスペクトル(図中の最上段参照)に対し0次にシフトしないでフーリエ逆変換を行い、そのフーリエ逆変換後の波数k(1/λ)に対する位相φ(k)のデータ(図中の上から二段目参照)に対しアンラッピングを施し、そのアンラッピング後の波数kに対する位相φ’(k)のデータ(図中の上から三段目参照)に対しf分のオフセットβを加える(図中の下から二段目参照)。従って、この方法で得られる複屈折位相差Δ(k)は、次の(8)式で表される。
【0094】
【数19】
Figure 0004011902
【0095】
この(8)式では、前述した1)スペクトルを0次にシフトする方法に比べ、得られる式が簡単になる。
【0096】
図18は、上記ステップSt4における、3)スペクトルをf分だけシフト(スペクトルのfの位置をf=0の位置にシフト)してフーリエ逆変換を行う方法を説明するものである。この方法によれば、上記で得られる周波数fのスペクトルに対し、図中の最上段に示すように、f分シフトしてフーリエ逆変換を行い、そのフーリエ逆変換後の波数k(1/λ)に対する位相φ(k)のデータ(図中の上から二段目参照)に対しアンラッピングを施し、そのアンラッピング後の波数kに対する位相φ’(k)のデータ(図中の上から三段目参照)に対しf分のオフセットβを加える(図中の下から二段目参照)。従って、この方法で得られる複屈折位相差Δ(k)は、次の(9)式で表される。
【0097】
【数20】
Figure 0004011902
【0098】
この(9)式でも、(8)式と同様に、前述した1)スペクトルを0次にシフトする方法に比べ、得られる式が簡単になる。
【0099】
図19は、ステップSt4における、4)スペクトルのfをそのまま用いてフーリエ逆変換を行う方法を説明するものである。この方法によれば、上記で得られる周波数fのスペクトル(図中の最上段参照)に対しそのfを用いてフーリエ逆変換を行い、そのフーリエ逆変換後の波数k(1/λ)に対する位相φ(k)のデータ(図中の上から二段目参照)に対しアンラッピングを施し、そのアンラッピング後の波数kに対する位相φ’(k)のデータ(図中の上から三段目参照)に対しf分のオフセットを加える(図中の下から二段目参照)。従って、この方法で得られる複屈折位相差Δ(k)は、次の(10)式で表される。
【0100】
【数21】
Figure 0004011902
【0101】
この(10)式でも、(8)式及び(9)式と同様に、前述した1)スペクトルを0次にシフトする方法に比べ、得られる式が簡単になる。
【0102】
ここで、図16に戻り、ステップSt5にて、以上の処理で得られた位相情報から、複屈折の波長依存性を示す相対値が、また周波数情報から、高次複屈折の次数を含めた絶対値が求められる。
【0103】
なお、上記の例において、振幅スペクトル内のスペクトル分布の頂点の周波数fとそのスペクトル分布の開始点の周波数fを精度良く求める為には、次のような処理を行うことが望ましい。通常のフーリエ解析で得られるスペクトル分布は、波数kに対する光強度の測定点数に応じて離散的に得られる。例えば、図2の中段左に示すものや、図6の中段に示す周波数情報に示されるように、得られるデータはとびとびの値になる。fとfとを精度良く求めるためには、このスペクトル分布の形状をフィッティング等の処理を用いて、離散データを内挿する必要がある。このために利用される手法は,例えば、1)分布形状をガウス分布や二項分布などの関数に近似する方法、2)部分的な領域を取り出し、隣り合う数点のデータを元にして、その領域内を多項式近似し、内挿領域を逐次移動し全体の分布形状を近似する方法、等を例示できる。
【0104】
なお、上記の例では、解析装置としてPCを例示したが、本発明はこれに限らず、本発明の測定原理に基づく解析アルゴリズムを実行するコンピュータの機能を有するものであれば、例えばネットワーク接続された専用ワークステーション等、いずれの装置(マシン、モジュール、ユニット等)でも適用可能である。
【0105】
なお、本発明は、代表的に例示した上述の実施形態及び適用例に限定されるものではなく、当業者であれば、特許請求の範囲の記載内容に基づき、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の態様に変形、変更することができ、それらも本発明の権利範囲に属するものである。
【0106】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高次複屈折に加え、複屈折の波長依存性を考慮した高精度の複屈折計測を実現できる。この複屈折計測では、点計測のみならず、2次元計測に適用でき、より拡張性及び実用度の高いものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る波長依存性を考慮した複屈折測定装置及び方法の基本測定原理の前提部分を説明する図。
【図2】本発明の実施形態に係る波長依存性を考慮した複屈折測定装置及び方法の基本測定原理の骨子部分を説明する図。
【図3】位相シフト法を用いた主軸方位計測を説明する図。
【図4】2次元計測に適用した場合の複屈折測定装置の構成例を示す図。
【図5】図4に示す複屈折測定装置で取り込まれる画像を説明する図。
【図6】2次元計測に適用した場合の解析手順を説明する図。
【図7】複屈折計測で実測されたポリマーフィルムを示す図で、(a)は外観図(写真)、(b)は(a)中のX−X’線に沿った断面図、(c)は原画像を示す図。
【図8】ポリマーフィルム(位相フィルム)の複屈折位相差の解析結果を示す図。
【図9】図7(c)中のA−A’線に沿って計測された複屈折位相差を示す図。
【図10】ポリマーフィルムの主軸方位の解析結果を示す図。
【図11】複屈折計測で実測された水晶板を示す図で、(a)は外観図(写真)、(b)は(a)中のX−X’線に沿った断面図、(c)は原画像を示す図。
【図12】水晶板の複屈折位相差の解析結果を示す図。
【図13】図11(c)中のA−A’線に沿って計測された複屈折位相差を示す図。
【図14】水晶板の主軸方位の解析結果を示す図。
【図15】ポリマーフィルム及び水晶板の計測値の精度を外部資料(理科年表、カタログ値)と比較して説明する図で、(a)は波長に対する複屈折位相差の変化を示すグラフ、(b)は波長に対する複屈折の変化を示すグラフ。
【図16】本発明の基本測定原理に基づく解析手順を説明する図。
【図17】図16に示す解析手順の内、スペクトルをゼロ次にシフトしないでフーリエ逆変換を行う方法を説明する図。
【図18】図16に示す解析手順の内、スペクトルをfs分シフトしてフーリエ逆変換を行う方法を説明する図。
【図19】図16に示す解析手順の内、fpを用いてフーリエ逆変換を行う方法を説明する図。
【符号の説明】
1 複屈折測定装置(点計測用)
2 複屈折測定装置(2次元計測用)
10 白色光源
11a 光ファイバケーブル
11b コリメータレンズ
12 偏光子
13 検光子
14 分光器
14a 回折格子
14b リニアCCD
15a 集光レンズ
15b 光ファイバケーブル
16 PC(パーソナルコンピュータ)
20 ハロゲンランプ
21a 光ファイバケーブル
21b コリメータレンズ
22 音響光学チューナブルフィルタ(AOTF)
23 ビームエキスパンダ(レンズ系)
24 偏光子
25 検光子
26 集束光学系(レンズ系)
27 CCDカメラ(2次元撮像素子)
28 PC(パーソナルコンピュータ)
29 AOTFコントローラ
Sa サンプル(被測定試料)[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a birefringence measuring apparatus and method considering wavelength dependency.
[0002]
[Prior art]
With the development of optoelectronics in recent years, in the engineering field, demands for injection molded products, optical discs, thin film products, optical elements using crystals, polymer films, liquid crystals, and the like are rapidly increasing. Accordingly, birefringence measurement is attracting attention as one of quantitative evaluation methods for quantitatively evaluating the quality of such products.
[0003]
In particular, polymer materials and crystals are known to have very strong wavelength dependence of birefringence and high-order birefringence. Therefore, such birefringence wavelength dependence and higher-order birefringence are known. There is a request for measurement. In material evaluation in the engineering field, birefringence measurement considering wavelength dependence is desired.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional polarization measurement method using monochromatic light cannot measure high-order birefringence due to the fact that the phase is folded at 2π [rad] as well as the wavelength dependence of birefringence. there were.
[0005]
As an example of a related technology, spectroscopic polarimetry using white light has been proposed. Especially in the field of spectroscopic ellipsometry, Stokes parameters are obtained using a channel spectrum consisting of three sinusoidal components. (For example, “K. Oka et al: Opt. Lett. 24, 21, pp 1475 (1999)”). This research is limited to point measurement, cannot be applied to two-dimensional measurement, and has the birefringence distribution and the wavelength dependence of birefringence (hereinafter sometimes referred to as “birefringence dispersion” if necessary). It cannot be used for simultaneous measurement or measurement of higher-order birefringence.
[0006]
Separately from this, a method of birefringence measurement by the inventors of the present application (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-141602) has been proposed in which higher-order birefringence is quantitatively evaluated using polarized light spectral interference. In this birefringence measurement method, focusing on the fact that the light intensity changes in a cosine shape with respect to the wave number due to the influence of the birefringence of the sample (measurement object), a high-resolution maximum entropy method (MEM: Maximum Entropy Method). By analyzing the frequency using and reading the center frequency of the spectrum obtained by this, it is possible to obtain higher-order birefringence larger than one wavelength of the optical signal used for birefringence measurement.
[0007]
However, this method can certainly measure higher-order birefringence using spectroscopic measurement and frequency analysis, but is not particularly aware of the wavelength dependence of birefringence and therefore cannot be used for the measurement.
[0008]
The present invention has been made against the background of such a conventional situation, and a main object thereof is to realize birefringence measurement in consideration of wavelength dependence of birefringence in addition to high-order birefringence.
[0009]
In addition to the main object described above, the present invention has a further object to enable not only point measurement but also birefringence measurement with high expansibility and practicality applicable to two-dimensional measurement.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to achieve the above object, the wavelength of the birefringence is further increased while utilizing the advantages of the high-order birefringence measurement method using the spectroscopic measurement and the frequency analysis method previously proposed by the present inventors. We propose a birefringence measurement method that takes into account the dependence.
[0011]
In this method, a formula for calculating the birefringence phase difference Δ proposed in the above-described high-order birefringence measurement method (Δ = δn · d · k, δn is birefringence, d is the thickness of the sample, and k is the wave number. ) In consideration of the wavelength dependence of the birefringence δn, “frequency information” (order term corresponding to the order of higher-order birefringence) and “phase information” (dispersion term including birefringence wavelength dependence) In addition to the absolute value of high-order birefringence, the “frequency information” and “phase information” are calculated and calculated using the Fast Fourier Transform (FFT). This enables birefringence measurement in which a relative value indicating wavelength dependency is measured (see “Basic measurement principle of the present invention” described later).
[0012]
The birefringence measuring apparatus considering wavelength dependency according to the present invention includes a birefringence measuring optical system that acquires an optical signal that bears information on the birefringence of a measurement target, and the optical signal acquired by the birefringence measuring optical system. The frequency component including the order of higher-order birefringence and the phase component responsible for wavelength dependency are analyzed from the waveform data indicating the light intensity distribution of the light, and the birefringence indicating the wavelength dependency is added to the higher-order birefringence from the analysis data. Refraction Divided into frequency component terms and dispersion terms And an analyzing device to be obtained.
[0013]
As one aspect of the present invention, the birefringence measurement optical system includes a white light source, a pair of polarizers and an analyzer disposed at a position sandwiching the measurement target on an optical path of an optical signal from the white light source, It comprises a point measurement optical system having a spectroscope that splits an optical signal carrying information relating to the birefringence of the measurement object emitted from the analyzer for each wavelength and outputs it to the analysis device.
[0014]
As another aspect of the present invention, the birefringence measuring optical system includes a white light source, an acoustooptic element that variably extracts a specific wavelength component from an optical signal from the white light source, and light extracted by the acoustooptic element. A pair of polarizers and analyzers arranged at positions sandwiching the measurement object on the optical path of the signal, and an optical device that takes information about the birefringence of the measurement object emitted from the analyzer and captures the optical signal And a two-dimensional measurement optical system having an image pickup device that outputs the image.
[0015]
As a preferred example of the present invention, the analysis device sets the wave number of the optical signal to k, and sets the birefringence, birefringence phase difference, thickness, and principal axis direction of the measurement target to δ, respectively. n , Δ (k), d, and φ, and the birefringence δ n The frequency component term, dispersion term, and phase information of n0 , Δ λ , Φ (K) Said, Includes wavelength dependence Birefringence phase difference Δ (k)
[Formula 6]
Figure 0004011902
With waveform analysis to satisfy As the sum of frequency information and phase information The required data processing means is provided.
[0016]
As a preferred example of the present invention, the data processing means, as a preferred example of the present invention, the frequency of the peak of the spectrum distribution in the amplitude spectrum of the frequency obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal, and the spectrum distribution Set the starting point frequency to f p And f s And the phase obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal, the minimum value and the maximum value of the wave number k are φ (K) , K min , K max When said Considering wavelength dependence Birefringence phase difference Δ (k)
[Expression 7]
Figure 0004011902
This is a means for obtaining by waveform analysis so as to satisfy the relationship.
[0017]
As a preferred example of the present invention, the data processing means sets the frequency of the starting point of the spectrum distribution in the amplitude spectrum of the frequency obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal as f. S And the phase obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal, the minimum value and the maximum value of the wave number k are φ ′ (K) , K min , K max When said Considering wavelength dependence Birefringence phase difference Δ (k)
[Equation 8]
Figure 0004011902
This is a means for obtaining by waveform analysis so as to satisfy the relationship.
[0018]
As a preferred example of the present invention, the data processing means sets the frequency of the starting point of the spectrum distribution in the amplitude spectrum of the frequency obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal as f. S And the phase obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal, the minimum value and the maximum value of the wave number k are φ ′, respectively. (K) , K min , K max Where the birefringence phase difference Δ (k) is
[Equation 9]
Figure 0004011902
This is a means for obtaining by waveform analysis so as to satisfy the relationship.
[0019]
As a preferred example of the present invention, the data processing means sets the frequency of the peak of the spectrum distribution in the amplitude spectrum of the frequency obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal as f. P And the phase obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal, the minimum value and the maximum value of the wave number k are φ ′, respectively. (K) , K min , K max Where the birefringence phase difference Δ (k) is
[Expression 10]
Figure 0004011902
This is a means for obtaining by waveform analysis so as to satisfy the relationship.
[0020]
The birefringence measurement method considering wavelength dependence according to the present invention is a frequency component including the order of high-order birefringence and wavelength dependence from waveform data indicating the light intensity distribution of an optical signal carrying information on the birefringence of the measurement target. In addition to the higher-order birefringence, the birefringence showing the wavelength dependence is analyzed from the analysis data. Dividing into carrier component term and dispersion term It is characterized by seeking.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a birefringence measuring apparatus and method considering wavelength dependency according to the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
[0022]
First, the basic measurement principle of birefringence measurement in consideration of wavelength dependency in the present invention will be described based on FIGS. 1 and 2. Here, an application example of point measurement will be described in detail, but this basic measurement principle can be extended to two-dimensional measurement as described later.
[0023]
The birefringence measuring apparatus 1 for point measurement shown in FIG. 1 includes a white light source 10 using a white lamp and its emission system (optical fiber cable 11a, collimator lens 11b), and white light emitted from the white light source 10. On the optical path, a pair of polarizers 12 and analyzers 13 arranged in parallel at positions facing each other across the sample Sa (measurement sample), and a spectroscope 14 (diffraction grating ( Or prism) 14a, linear CCD (light receiving element array) 14b) and its incident system (condensing lens 15a, optical fiber cable 15b), and an analysis algorithm based on the measurement principle of the present invention, connected to the output side of the spectrometer 14. PC (personal computer) 16 used as an analysis apparatus (computer) for executing the above.
[0024]
According to this configuration, the light emitted from the white light source 10 sequentially passes through the polarizer 12 having the azimuth of 45 degrees, the sample Sa, and the analyzer 13 having the azimuth of 45 degrees through the output systems 11a and 11b, and the sample Sa. Is transmitted to the spectroscope 14 through its incident systems 15a and 15b. This optical signal is transmitted through the diffraction grating 14a inside the spectroscope 14 by the linear CCD 14b, and the light intensity I at each wavelength λ. (Λ) And sent to the PC 16.
[0025]
Light intensity I of the transmitted light obtained above (Λ) Is represented by the following expression (1) as shown in FIG.
[0026]
[Expression 11]
Figure 0004011902
In this formula (1), I DC Is the bias component (DC component), S (Λ) Is the transmission characteristic of the system (system dependence coefficient, wavelength transmittance characteristic), φ is the difference in principal axis orientation between the polarizer 12 and the sample Sa, and Δ is the birefringence phase difference of the sample Sa.
[0027]
Among these, the birefringence phase difference Δ of the sample Sa is expressed by the following equation (2) as shown in FIG. 1 (middle stage).
[0028]
[Expression 12]
Figure 0004011902
In this equation (2), λ is the wavelength, δ n Represents the birefringence of the sample Sa, d represents the thickness of the sample Sa, and k represents the wave number (k = 1 / λ).
[0029]
Since the birefringence phase difference Δ of the sample Sa can be expressed using the wave number k as in the above equation (2), the light intensity I in the above equation (1). (Λ) Is actually measured as a waveform that changes in a cosine with respect to the wave number k as shown in FIG.
[0030]
Therefore, the light intensity I indicating the waveform distribution that changes in a cosine manner with respect to the wave number k in this way. (Λ) On the other hand, the processing of the PC 16 performs a high resolution frequency analysis using the maximum entropy method, and reads the center frequency of the frequency spectrum obtained by this analysis, whereby the birefringence δ of the sample Sa n Measurement of (birefringence phase difference Δ and main axis direction φ) is performed. The principle of birefringence measurement so far is the same as that proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-141602.
[0031]
In the above principle, as shown in FIG. 1, the light intensity I changes in a cosine shape with respect to the wave number k. (Λ) However, in practice, as shown in FIG. 1 (bottom), the light intensity I is not changed. (Λ) The period of this component slightly changes depending on the wave number k. This is because birefringence shows wavelength dependence.
[0032]
Therefore, in the present invention, in addition to the above principle, the light intensity I is considered in consideration of the wavelength dependence of birefringence exhibited by many samples Sa. (Λ) However, focusing on the fact that the period varies depending on the wavelength λ (or wave number k), the main purpose is to realize birefringence measurement including the wavelength dependence. This will be described with reference to FIG.
[0033]
As shown in FIG. 2 (upper), first, the above equation (2) is obtained by taking into account the wavelength dependence of the birefringence phase difference Δ. n Is the carrier component term δ n0 And the dispersion term δ λ Can be divided into n = Δ n0 + Δ λ Substituting n0 , Δ λ Then, the following expression (3) is obtained.
[0034]
[Formula 13]
Figure 0004011902
In this equation (3), φ (K) Indicates phase information.
[0035]
As shown in the equation (3) and in FIG. 2 (upper stage), the birefringence phase difference Δ (k) including wavelength dependence has a phase difference of 2π, 4π, 6π,... Corresponding to the order of birefringence. "Frequency information" as the order term that changes greatly and "Phase information" as the dispersion term whose phase difference slightly changes due to the wavelength dependence of birefringence can be calculated and obtained as the sum of both. .
[0036]
Therefore, as shown in FIG. 2 (middle stage), the “frequency information” and the “phase information” are the spectral intensity signals obtained as described above, that is, the light intensity I that changes in a cosine with respect to the wave number k. (Λ) Can be obtained using FFT (Fast Fourier Transform). Specifically, the light intensity distribution of transmitted light (light intensity I with respect to wave number k) (Λ) (Frequency distribution) is subjected to Fourier transform by FFT, the spectrum distribution is multiplied by a predetermined window function, the spectrum is shifted to zero order, and Fourier inverse transform is performed to obtain “phase information” and Fourier transform. The “frequency information” that is the carrier frequency component removed by the above is obtained from the half-value width of the amplitude spectrum distribution or the like (see below for details).
[0037]
In the example in FIG. 2 (middle stage), “frequency information” is obtained from the spread of the amplitude spectrum obtained by Fourier analysis of the light intensity distribution of transmitted light, and “phase information” is obtained from the phase obtained by inverse Fourier transform. Is described.
[0038]
Here, in the “frequency information” shown in FIG. p Is the center frequency of the amplitude spectrum, f s Is f p 1 / e of 2 (F s = F p × 1 / e 2 ) Are shown respectively. F here s However, the half value of the spectrum may be used. In short, if the position that determines the width of the spectrum and the relationship between the frequencies are determined, which position should be selected. It doesn't matter. Further, in the “phase information” shown in FIG. min And K max Indicates the minimum value and the maximum value of the wave number k to be measured, respectively.
[0039]
When “frequency information” and “phase information” obtained based on the above frequency analysis are put into the above equation (3) and arranged, the following equation (4) is obtained.
[0040]
[Expression 14]
Figure 0004011902
If “frequency information” and “phase information” are calculated based on the equation (4), the birefringence phase difference Δ (k) considering the wavelength dependence of the sample Sa can be obtained.
[0041]
The analysis algorithm based on the above measurement principle is a program that can be executed in advance by the processor (CPU) on the PC 16 during its operation, such as a semiconductor memory (including a portable IC card) connected to the processor, a hard disk, and a removable device. It is recorded on a recording medium such as a medium (floppy disk, magneto-optical disk (MO), CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM, etc.) and executed by the processor at the time of measurement.
[0042]
That is, the analysis algorithm based on the above measurement principle is executed by the program processing by the processor of the PC 16, and the birefringence phase difference Δ considering the wavelength dependence of the sample Sa is obtained according to the above equation (4).
[0043]
In the above waveform analysis, a method of shifting the spectrum to zero order is described as a processing method for obtaining “frequency information” and “phase information” from the spectrum obtained by Fourier transform. Not limited to this, various methods can be adopted as will be described later.
[0044]
In the above-described waveform analysis, FFT, which is a typical frequency analysis method, is used. However, the present invention is not limited to this, and the light intensity I that changes in a cosine shape with respect to the wave number k is used. (Λ) Any waveform analysis method can be applied as long as it can calculate the frequency, intensity, and phase of (spectral light intensity signal).
[0045]
In addition, the above light intensity I (Λ) (1) is a formula when a pair of polarizers 12 and an analyzer 13 are arranged so as to be “parallel Nicols”, but both 12 and 13 are “orthogonal Nicols”. In this case, the following expression (1a) is used instead of the above expression (1) (this is the same as that described in JP-A-2001-141602).
[0046]
[Expression 15]
Figure 0004011902
[0047]
In the above example, a spectroscope (multichannel spectroscope) having a diffraction grating (or prism) and a linear CCD (light receiving element array) is illustrated, but the present invention is not limited to this. It may be a wavelength scanning type or wavelength selective type spectroscope having a structure in which the diffraction grating or the prism is rotated to guide the wavelengths having different diffraction angles to the exit slit one after another.
[0048]
Next, a method for measuring and analyzing the main axis direction φ of the sample S will be described with reference to FIG. In this example, the case where the phase shift method is used is illustrated.
[0049]
First, as shown in FIG. 3 (upper), in the birefringence measuring apparatus 1 described above, the pair of polarizers 12 and the analyzer 13 are set in a state of parallel Nicols (or crossed Nicols). Sample Sa is placed between them. In this state, the light intensity I of the emitted light from the analyzer 13 (Λ) Is measured by the spectroscope 14 described above. This light intensity I (Λ) Can be expressed by the above-described equation (1) as shown in FIG. 3 (middle), and can be expressed by the following equation (5) when expanded.
[0050]
[Expression 16]
Figure 0004011902
[0051]
From this equation (5), the principal axis azimuth φ of the sample Sa can be obtained using the phase shift method. That is, in this phase shift method, as shown in FIG. 3, by rotating the pair of polarizers 12 and the analyzer 13 together to give the shift amount θ in the above equation (5), the main axis direction φ Can be calculated by the following equation (6).
[0052]
[Expression 17]
Figure 0004011902
[0053]
In this equation (6), I 1 , I 2 , I 3 And I 4 Indicates the light intensities at positions where the shift amounts θ are 0 degree, 22.5 degrees, 45 degrees, and 67.5 degrees, respectively, when the polarizer 12 and the analyzer 13 are simultaneously rotated by 22.5 degrees.
[0054]
In addition, although the case where the phase shift method is used is illustrated in the measurement and analysis of the main axis azimuth, the change in light intensity obtained by rotating the polarizer and the analyzer (changes in a cosine wave shape). Any method (for example, FFT) may be used as long as the initial phase is obtained.
[0055]
Therefore, according to the basic measurement principle of the present invention described above, the birefringence δ in consideration of the wavelength dependence of the sample Sa that could not be measured in the conventional example. n That is, with respect to the birefringence phase difference Δ, as described above, the absolute value including the order of higher-order birefringence from the “frequency information” of the spectrum obtained by Fourier analysis, and the birefringence δ from the “phase information”. n Relative values indicating the wavelength dependence of each can be obtained. Furthermore, the principal axis direction φ of the sample Sa can be obtained by using, for example, a phase shift method.
[0056]
The above example is a case where the basic measurement principle of the present invention is applied to point measurement. Next, an example of application to two-dimensional measurement will be described.
[0057]
FIG. 4 shows a configuration example of the birefringence measuring apparatus 2 for two-dimensional measurement. In this example, the birefringence measuring apparatus 2 is disposed on the halogen lamp (white light source) 20 and its emission system (optical fiber cable 21a, collimator lens 21b) and on the optical path of white light emitted from the halogen lamp 20. An optical system, that is, an AOTF (Acousto-Optic Tunable Filter (acousto-optic tunable filter)) 22, a beam expander (lens system) 23, a pair of polarizers 24 and an analyzer 25 sandwiching the sample Sa, A focusing optical system (lens system) 26, a CCD camera 27, a PC 28 connected to the output side of the CCD camera 27 and used as an analysis and control device for executing an analysis algorithm based on the measurement principle of the present invention, and the PC 28 AOTF controller that controls the operation of AOTF22 in response to the command And a roller 29.
[0058]
Among these, the AOTF 22 functions as a band-pass filter that extracts a specific wavelength by changing the center wavelength of the band band of the incident white light by electrical control from the AOTF controller 29.
[0059]
According to the above configuration, first, white light emitted from the halogen lamp 20 is irradiated to the AOTF 22 from the collimator lens 21b through the optical fiber cable 21a. This irradiated light is emitted as light having a specific wavelength λ (wave number k) by the AOTF 22, and the emitted light is collimated by the lens system 23, and a pair of polarizers 24 and an analyzer having an azimuth of 45 degrees sandwiching the sample Sa. 25 is incident. The emitted light from the analyzer 25 passes through the lens system 26 as light that bears information on the birefringence of the sample Sa, is taken as a measurement image by the CCD camera 27, and is sent to the PC.
[0060]
FIG. 5 shows an example of the measurement image captured as described above. As shown in this example, the measurement image includes, for example, 128 images (example of the number of pixels: 256 (vertical direction) × 512 (horizontal direction)). Each of the images corresponds to a measurement image by the emitted light controlled by the AOTF 22 so that the value of the wave number k is sequentially changed within the wavelength λ range of 450 to 610 [nm] (in the drawing). In the example, k = k 1 , K 2 ..., k n : N = 128). At this time, the control of the AOTF 22 is performed via the AOTF controller 29 in response to a command from the PC 28.
[0061]
The number of images to be captured is not limited to 128 in this example, and any number may be used as long as Fourier analysis performed thereafter can be used efficiently. Further, since the higher-order birefringence can be measured as the number of images to be captured is increased, it is desirable to determine the number of images in consideration of this point.
[0062]
FIG. 6 explains the procedure of two-dimensional analysis executed by the processing of the PC 28 based on the measurement image captured as described above.
[0063]
First, as shown in FIG. 6 (upper stage), for example, 128 wave numbers k (k = k) obtained as described above. 1 , K 2 ..., k n : N = 128) for each measurement image (example of the number of pixels: 256 (vertical direction) × 512 (horizontal direction)), each pixel P at the same coordinate position cal Wave number k (k 1 , K 2 ..., k n : Light intensity I for n = 128) (Λ) Intensity distribution representing the change of light (horizontal axis: wave number k, vertical axis: light intensity I (Λ) ) Data.
[0064]
Here, the light intensity I for each wave number k obtained for each pixel. (Λ) Changes in accordance with the above-described equation (1), and the subsequent processing can use the same Fourier transform and the subsequent analysis algorithm as in the above-described point measurement for each pixel. Specifically, the Fourier transform is performed by multiplying the data of the light intensity distribution converted for each pixel by an appropriate window function, and shifting the spectrum obtained thereby to zero order to perform the Fourier inverse transform.
[0065]
By this Fourier analysis, as shown in FIG. 6 (left side of the middle stage), “frequency information” and “phase information” similar to those described above are obtained for each pixel of the measurement image (see equation (4)). In calculating the “frequency information” here, the spectrum data is interpolated to obtain the carrier frequency, and in calculating the “phase information”, a portion exceeding 2π in the data string obtained by the inverse Fourier transform using FFT. If this occurs, the unwrapping method (see later) is used to correct the phase to be continuous.
[0066]
Next, based on the “frequency information” and “phase information” obtained by the above waveform analysis, as shown in FIG. 6 (right side of the middle stage), birefringence considering wavelength dependency according to the above-described equation (4), that is, The distribution of the birefringence phase difference Δ with respect to the wave number k is obtained.
[0067]
The above-described series of analysis processing is executed for all the pixels on the measurement image, and the distribution data of the birefringence phase difference Δ with respect to the wave number k thus obtained is a constant wavelength λ (λ 1 , Λ 2 , ..., λ n : N = 128), and an image showing a two-dimensional distribution of birefringence for each wavelength λ is obtained as shown in FIG. Note that the principal axis direction φ of the sample Sa can be measured using a method such as a phase shift method or FFT in the same manner as described above.
[0068]
Here, an actual measurement example of the two-dimensional distribution of birefringence measured above will be described. Samples (samples to be measured) Sa to be measured in this actual measurement example are two samples of a polymer film (phase film) and a quartz plate.
[0069]
(Measurement result of polymer film)
First, the measurement result of a polymer film is demonstrated based on FIGS. In this example, a two-dimensional birefringence distribution considering the above-described wavelength dependency is measured using a polymer film laminated stepwise on an acrylic substrate as a sample to be measured.
[0070]
7A shows the appearance (photograph) of the polymer film used in this measurement, FIG. 7B shows the cross section of the polymer film along the line XX ′ in FIG. 7A, and FIG. (C) shows an original image (photographing range: 28 (vertical) [mm] × 28 (horizontal) [mm], number of pixels: 128 × 128) of the polymer film photographed by this measurement. As shown in FIG. 7B, the thickness of one polymer film is 60 [μm], and the birefringence phase difference Δ is 2π [rad] at a wavelength of 550 [nm]. Further, in the original image shown in FIG. 7C, each boundary position of each of the laminated portions (11 layers, 10 layers, and 9 layers) of 11 films, 10 films, and 9 films among the polymer films is shown. The parts to be understood are taken in order from the left side to the right side in the figure.
[0071]
FIG. 8 shows an image representing the birefringence distribution for each wavelength λ measured and analyzed under the conditions of wavelengths λ = 460, 500, 532, 550, and 608 [nm] for the polymer film. The magnitude of the birefringence phase difference Δ indicating the birefringence distribution changes within a range of Δ = 50 to 100 [rad]. For example, the gray state can be easily seen by looking at the image. Although the display is performed using a scale (for example, Δ = 50 to 100 is changed from black to white), the present invention is not limited to this, and a color scale (for example, Δ = 50 to 100 is purple to blue to green to yellowish green to yellow). A color display may be performed using a sequence of yellow to red.
[0072]
As shown in FIG. 8, in any image of each image having a different wavelength λ, as the number of films changes on the polymer film as 11 layers, 10 layers, and 9 layers (left and right direction in each image), It is clear that the birefringence phase difference Δ changes at the boundary, and that when the images having different wavelengths λ are compared, the birefringence phase difference Δ decreases as the wavelength λ increases. Was confirmed.
[0073]
FIG. 9 shows the state of the polymer film with respect to the cross-sectional position along the line AA ′ (see FIG. 7C) on the image representing the birefringence distribution measured and analyzed under the condition of wavelength λ = 550 [nm]. The change of the refractive phase difference Δ is shown. In the results shown in FIG. 9, the birefringence phase difference Δ is a position where the number of films on the polymer film on the AA ′ line cross-sectional position changes from 11 layers to 10 layers and a position where the number of layers changes from 10 layers to 9 layers. Steps of about 2π [rad] were clearly confirmed at two locations. This result demonstrates that quantitative birefringence measurement is performed by a method based on the basic measurement principle of the present invention. This cannot be measured by the polarization measurement using the monochromatic light of the conventional example.
[0074]
FIG. 10 is an image showing a two-dimensional distribution of the principal axis azimuth φ of the polymer film measured and analyzed under the condition of wavelength λ = 532 [nm]. In the example in the figure, the direction of the principal axis azimuth φ is expressed in gray scale (φ = -30 [degrees] to 30 [degrees]), and the orientation of the vectors at the measurement points arranged in a grid on the image. In the results shown in FIG. 10, it was confirmed that the principal axis direction φ of the polymer film was almost uniform in one direction at any position, indicating about 0 degrees.
[0075]
(Measurement result of quartz plate)
Next, the measurement result of the quartz plate will be described with reference to FIGS. In this example, a two-dimensional birefringence phase difference distribution is measured using a wedge-cut quartz plate as a measurement target.
[0076]
11A shows the appearance (photograph) of the quartz plate used in this measurement, FIG. 11B shows the cross section of the quartz plate along the line XX ′, and FIG. 11C shows this measurement. The original images taken in are shown respectively. As shown in FIG. 11 (b), the thickness of the quartz plate changes continuously. On the original image shown in FIG. 11 (c), the upper side (A side of the line AA 'in the figure). ) Corresponds to a thick portion, and gradually decreases from there toward the lower side (A ′ side of the AA ′ line).
[0077]
FIG. 12 shows an image representing a two-dimensional birefringence distribution for each wavelength λ measured and analyzed under the conditions of the same wavelength λ (λ = 460, 500, 532, 550, and 608 [nm]) as described above. As shown in FIG. 12, the magnitude of the birefringence phase difference Δ indicating the birefringence distribution of the analyzed quartz plate is 250 [rad] at a large value and 100 [rad] at a small value. Also, it was well confirmed that the birefringence phase difference Δ changed in the thickness direction of the quartz plate. Further, when the images having different wavelengths λ were compared, it was confirmed that the birefringence phase difference Δ was decreased as the wavelength λ was increased as described above (the image observed in FIG. 12). The unevenness inside is considered to be polishing unevenness generated during the production of the quartz plate).
[0078]
FIG. 13 shows a crystal plate with respect to the cross-sectional position along the line AA ′ (see FIG. 7C) on the image representing the two-dimensional birefringence distribution measured and analyzed under the condition of wavelength λ = 567 [nm]. The change in the birefringence phase difference Δ is shown. The result shown in FIG. 13 shows that the birefringence phase difference Δ is linearly changed, and it has been confirmed that the measurement value is highly reliable.
[0079]
FIG. 14 is an image showing the two-dimensional birefringence distribution of the principal axis direction φ of the quartz plate measured and analyzed under the condition of wavelength λ = 532 [nm]. Similar to the above, the direction of the main axis direction φ is expressed in gray scale and Each is shown as a vector. In the results shown in FIG. 14, the principal axis direction φ of the quartz plate is almost the same when viewed in the direction of the vector at each measurement point, but the image is not uniform when viewed in gray scale. A striped distribution is observed. Originally, the crystal orientation does not show such a striped distribution, so this is considered a measurement error. The cause of this error is that the birefringence phase difference Δ changes to π / 2, 3π / 2, and 5π / 2, and there is a singular point where the phase shift method cannot be used from the above equation (6). It is thought that it is because.
[0080]
Next, each birefringence phase difference Δ (birefringence δ) measured and analyzed with the polymer film and the quartz plate described above. n The measurement result in the wavelength dependence of) will be described.
[0081]
15A shows the change of the birefringence phase difference Δ with respect to the wavelength λ (vertical axis: birefringence phase difference Δ [rad], horizontal axis: wavelength λ [nm]), and FIG. 15B shows the wavelength λ. Birefringence for δ n (Vertical axis: birefringence phase difference Δ [rad], horizontal axis: wavelength λ [nm]). 15 (a) and 15 (b), the curve indicated by the solid line is the measurement result of the polymer film, the curve indicated by the dotted line is the measurement result of the quartz plate, and the point indicated by the triangle (Δ) is from the known literature (Science Chronology). The birefringence values obtained by calculation and the points indicated by rhombuses (示 す) indicate the catalog values (only FIG. 15A) published by a predetermined manufacturer.
[0082]
Each of the measurement results of the polymer film and the quartz plate shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b) has a tendency to almost coincide with the birefringence value of the scientific chronology and the catalog value of the manufacturer. The effectiveness of wavelength-dependent measurement using the birefringence measurement technique according to the invention was confirmed. The result shown in FIG. 15A shows that the birefringence phase difference due to the measurement result of the polymer film tends to be slightly larger than the catalog value. This is because the light is emitted when the sample is set in the optical system. This is thought to be due to a slight inclination with respect to the axis. Even in this case, the tendency of the wavelength dependence of the birefringence phase difference in the measurement result and catalog value of the polymer film is almost the same.
[0083]
Therefore, according to the birefringence measurement according to the present embodiment, the measurement including the wavelength dependence of the birefringence that cannot be measured by the conventional example can be realized with high accuracy not only by the point measurement but also by the two-dimensional measurement.
[0084]
In the two-dimensional birefringence measurement considering the wavelength dependency, an example using an AOTF (Acousto-Optic Tunable Filter) as a method for extracting a specific wavelength from white light will be described. However, the present invention is not limited to this. For example, a method of arranging a plurality of interference filters in order and presenting them sequentially, a birefringent bandpass filter (this is because transmitted light is inclined by tilting the filter with respect to the optical axis). Or the like.
[0085]
Further, a processing method for obtaining “phase information” and “frequency information” from a spectrum obtained by Fourier analysis of spectral data (light intensity distribution) that changes in a cosine shape with respect to the wave number is shown in FIG. In addition, the present invention is not limited to the method shown in FIG. Hereinafter, application examples of each method will be described with reference to FIGS.
[0086]
FIG. 16 shows an outline of an analysis procedure including a calculation example of the above-described equation (4). In the analysis procedure shown in FIG. 16, in accordance with the basic measurement principle of the present invention described above, spectral data (light intensity distribution data) is acquired (step St1), this spectral data is multiplied by a window function (step St2), and Fourier is obtained. A spectrum is obtained by analysis (step St3), "frequency information" and "phase information" are obtained from this spectrum (step St4), and a relative value indicating the wavelength dependence of birefringence is obtained from the obtained "phase information". Also, absolute values including the order of higher-order birefringence are obtained from “frequency information” (step St5).
[0087]
First, as shown in FIG. 16 (upper stage), the spectral data acquired in step St1 is a light intensity I that changes in a cosine with respect to the wave number k by Fourier transform. (Λ) (Expression (1) described above). This equation shows that the birefringence phase difference Δ has a wavelength dependency Δ (Λ) Therefore, it can be replaced with the expression (1) ′ in FIG. And this birefringence phase difference Δ or Δ (Λ) Can be obtained from the calculation of “frequency information” and “phase information” by expanding from equation (2) to equation (3) as described above.
[0088]
Therefore, in step St2, the light intensity I (Λ) An operation is performed to multiply the spectral data represented by the following formula by a window function. This arithmetic expression is expressed by, for example, the following expression (7).
[0089]
[Expression 18]
Figure 0004011902
In this equation (7), I ω (k) Is the light intensity I multiplied by the window function I (Λ) , I 0 Is the light intensity I before being multiplied by the window function (Λ) , AB · cos (2πk / k 0 ) Is a window function, A and B are constants (arbitrary), k 0 Indicates the number of data sampling.
[0090]
By this processing, as shown in FIG. 16 (middle), the light intensity I (Λ) The center of the distribution spectrum coincides with the center of the measured wavenumber region. Here, the assumptions of the values of A and B are arbitrary, but f on the spectrum of the frequency f by spectral analysis. s Since there is a correlation in the spectrum intensity for determining the position of A, it is necessary to consider this point when actually determining A and B.
[0091]
Next, in step St3, the light intensity I multiplied by the window function as described above. (Λ) The spectrum of the frequency f is obtained by Fourier analysis. The spectrum of the frequency f has a peak at a position shifted from the frequency f = 0 (zero order) as shown in FIG. 16 (lower).
[0092]
Therefore, in step St4, “frequency information” and “phase information” are obtained from the spectrum of the frequency f. The processing method at this time is as follows: 1) Shift the spectrum to zero (0) and then shift it at the peak of the spectrum. F p The method of performing the inverse transformation by shifting the position of f to the position of f = 0 (refer to the equations shown in FIGS. 2 and 4 in the method described in the basic measurement principle described above), and 2) without shifting the spectrum to the zero order. Method for performing inverse Fourier transform (see FIG. 17 described later), 3) spectrum f s (F 1 ) Shift (the spectrum f s And the inverse Fourier transform (see FIG. 18 to be described later). 4) Spectrum f p Any method can be applied, such as a method of performing inverse Fourier transform using the above as it is (see FIG. 19 described later).
[0093]
FIG. 17 illustrates a method of performing inverse Fourier transform 2) without shifting the spectrum to the zero order in step St4. According to this method, the spectrum of the frequency f obtained above (refer to the uppermost stage in the figure) is subjected to inverse Fourier transform without shifting to the zero order, and the wave number k (1 / λ) after the inverse Fourier transform is obtained. Phase φ (K) Is unwrapped (see the second stage from the top in the figure), and the phase φ ′ with respect to the wave number k after the unwrapping (K) F (see the third row from the top in the figure) s Add the minute offset β (see the second row from the bottom in the figure). Therefore, the birefringence phase difference Δ (k) obtained by this method is expressed by the following equation (8).
[0094]
[Equation 19]
Figure 0004011902
[0095]
In this equation (8), the obtained equation becomes simpler than the above-described method 1) shifting the spectrum to the zero order.
[0096]
FIG. 18 shows 3) the spectrum f in step St4. s Shift by (f of the spectrum s This is a method for performing the inverse Fourier transform by shifting the position of (1) to the position of f = 0). According to this method, with respect to the spectrum of the frequency f obtained above, as shown in the uppermost part of the figure, f s The phase φ with respect to the wave number k (1 / λ) after the inverse Fourier transform is performed by performing a minute shift. (K) Is unwrapped (see the second stage from the top in the figure), and the phase φ ′ with respect to the wave number k after the unwrapping (K) F (see the third row from the top in the figure) s Add the minute offset β (see the second row from the bottom in the figure). Therefore, the birefringence phase difference Δ (k) obtained by this method is expressed by the following equation (9).
[0097]
[Expression 20]
Figure 0004011902
[0098]
Also in this equation (9), as in the equation (8), the obtained equation becomes simpler than the above-described 1) method of shifting the spectrum to the zero order.
[0099]
FIG. 19 shows 4) spectrum f in step St4. p A method for performing inverse Fourier transform using the above as it is will be described. According to this method, the spectrum of the frequency f obtained above (see the uppermost stage in the figure) p Is used to perform the inverse Fourier transform, and the phase φ with respect to the wave number k (1 / λ) after the inverse Fourier transform (K) Is unwrapped (see the second stage from the top in the figure), and the phase φ ′ with respect to the wave number k after the unwrapping (K) F (see the third row from the top in the figure) p Add the minute offset (see the second row from the bottom in the figure). Therefore, the birefringence phase difference Δ (k) obtained by this method is expressed by the following equation (10).
[0100]
[Expression 21]
Figure 0004011902
[0101]
Also in this formula (10), the formula obtained is simpler than the above-described method 1) shifting the spectrum to the zero order, similarly to formulas (8) and (9).
[0102]
Here, returning to FIG. 16, in Step St5, the relative value indicating the wavelength dependence of birefringence is included from the phase information obtained by the above processing, and the order of higher-order birefringence is included from the frequency information. An absolute value is obtained.
[0103]
In the above example, the peak frequency f of the spectrum distribution in the amplitude spectrum is used. p And the frequency f of the starting point of the spectrum distribution s It is desirable to perform the following processing in order to obtain the value accurately. The spectral distribution obtained by ordinary Fourier analysis is obtained discretely according to the number of measurement points of the light intensity with respect to the wave number k. For example, as shown in the middle left of FIG. 2 and the frequency information shown in the middle of FIG. 6, the obtained data has discrete values. f p And f s Therefore, it is necessary to interpolate discrete data using a process such as fitting the shape of the spectrum distribution. The methods used for this are, for example, 1) a method of approximating the distribution shape to a function such as a Gaussian distribution or a binomial distribution, 2) taking out a partial region, and based on data of several adjacent points, For example, a method of approximating the inside of the region by polynomial approximation, sequentially moving the interpolation region to approximate the entire distribution shape, and the like can be exemplified.
[0104]
In the above example, a PC is illustrated as an analysis device. However, the present invention is not limited to this, and any computer having a computer function for executing an analysis algorithm based on the measurement principle of the present invention may be connected to a network, for example. Any device (machine, module, unit, etc.) such as a dedicated workstation can be applied.
[0105]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described exemplary embodiments and application examples that are exemplarily illustrated, and those skilled in the art will be within the scope of the gist of the present invention based on the content of the claims. Various modifications and changes can be made and these are also within the scope of the present invention.
[0106]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in addition to high-order birefringence, high-precision birefringence measurement in consideration of the wavelength dependence of birefringence can be realized. This birefringence measurement can be applied not only to point measurement but also to two-dimensional measurement, and is more scalable and practical.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a premise part of a basic measurement principle of a birefringence measuring apparatus and method considering wavelength dependency according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining the essence of the basic measurement principle of a birefringence measuring apparatus and method considering wavelength dependence according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining spindle direction measurement using a phase shift method.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a birefringence measuring apparatus when applied to two-dimensional measurement.
FIG. 5 is a view for explaining an image captured by the birefringence measuring apparatus shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a diagram illustrating an analysis procedure when applied to two-dimensional measurement.
7A and 7B are diagrams showing a polymer film actually measured by birefringence measurement, where FIG. 7A is an external view (photograph), FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line XX ′ in FIG. ) Is a diagram showing an original image.
FIG. 8 is a view showing an analysis result of a birefringence phase difference of a polymer film (phase film).
9 is a diagram showing a birefringence phase difference measured along the line AA ′ in FIG. 7C. FIG.
FIG. 10 is a diagram showing the analysis result of the principal axis orientation of a polymer film.
11A and 11B are diagrams showing a crystal plate actually measured by birefringence measurement, in which FIG. 11A is an external view (photograph), FIG. 11B is a cross-sectional view taken along line XX ′ in FIG. ) Is a diagram showing an original image.
FIG. 12 is a diagram showing an analysis result of a birefringence phase difference of a crystal plate.
13 is a diagram showing a birefringence phase difference measured along the line AA ′ in FIG.
FIG. 14 is a diagram showing an analysis result of a principal axis orientation of a crystal plate.
FIG. 15 is a diagram for explaining the accuracy of measurement values of a polymer film and a quartz plate in comparison with external data (science chronology, catalog values), (a) is a graph showing a change in birefringence phase difference with respect to wavelength; (B) is a graph which shows the change of the birefringence with respect to a wavelength.
FIG. 16 is a diagram illustrating an analysis procedure based on the basic measurement principle of the present invention.
FIG. 17 is a diagram for explaining a method for performing inverse Fourier transform without shifting the spectrum to zero order in the analysis procedure shown in FIG. 16;
18 is a diagram for explaining a method of performing inverse Fourier transform by shifting the spectrum by fs in the analysis procedure shown in FIG. 16;
19 is a diagram for explaining a method of performing inverse Fourier transform using fp in the analysis procedure shown in FIG. 16;
[Explanation of symbols]
1 Birefringence measurement device (for point measurement)
2 Birefringence measuring device (for 2D measurement)
10 White light source
11a optical fiber cable
11b Collimator lens
12 Polarizer
13 Analyzer
14 Spectrometer
14a Diffraction grating
14b linear CCD
15a condenser lens
15b optical fiber cable
16 PC (personal computer)
20 Halogen lamp
21a optical fiber cable
21b Collimator lens
22 Acousto-optic tunable filter (AOTF)
23 Beam expander (lens system)
24 Polarizer
25 analyzer
26 Focusing optical system (lens system)
27 CCD camera (two-dimensional image sensor)
28 PC (personal computer)
29 AOTF controller
Sa sample (sample to be measured)

Claims (9)

測定対象の複屈折に関する情報を担う光信号を取得する複屈折測定光学系と、
前記複屈折測定光学系により取得された前記光信号の光強度分布を示す波形データから高次複屈折の次数を含む周波数成分及び波長依存性を担う位相成分を解析し、その解析データから前記高次複屈折に加え、前記波長依存性を示す複屈折をキャリア成分項と分散項とに分けて求める解析装置とを有することを特徴とする波長依存性を考慮した複屈折測定装置。
A birefringence measuring optical system for acquiring an optical signal carrying information on the birefringence of the measurement target;
From the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal acquired by the birefringence measuring optical system, the frequency component including the order of high-order birefringence and the phase component responsible for wavelength dependence are analyzed, and the high-frequency component is analyzed from the analysis data A birefringence measuring apparatus in consideration of wavelength dependence, comprising: an analyzer for obtaining birefringence exhibiting the wavelength dependence separately for a carrier component term and a dispersion term in addition to the second birefringence.
前記複屈折測定光学系は、白色光源と、この白色光源からの光信号の光路上における前記測定対象を挟む位置に配置される一対の偏光子及び検光子と、この検光子から出射される前記測定対象の複屈折に関する情報を担う光信号をその波長毎に分光して前記解析装置に出力する分光器とを有する点計測光学系から構成されることを特徴とする請求項1記載の波長依存性を考慮した複屈折測定装置。  The birefringence measuring optical system includes a white light source, a pair of polarizers and an analyzer disposed at a position sandwiching the measurement target on the optical path of an optical signal from the white light source, and the light emitted from the analyzer. 2. A wavelength-dependent optical system according to claim 1, further comprising: a point measuring optical system having a spectroscope that splits an optical signal carrying information related to the birefringence of a measurement target for each wavelength and outputs the spectral signal to the analyzer. Birefringence measurement device that takes into account the characteristics. 前記複屈折測定光学系は、白色光源と、この白色光源からの光信号から特定の波長成分を可変で取り出す音響光学素子と、この音響光学素子により取り出された光信号の光路上における前記測定対象を挟む位置に配置される一対の偏光子及び検光子と、この検光子から出射される前記測定対象の複屈折に関する情報を担う光信号を撮影して前記解析装置に出力する撮像素子とを有する2次元計測光学系から構成されることを特徴とする請求項1記載の波長依存性を考慮した複屈折測定装置。  The birefringence measuring optical system includes a white light source, an acoustooptic element that variably extracts a specific wavelength component from the optical signal from the white light source, and the measurement target on the optical path of the optical signal extracted by the acoustooptic element. A pair of polarizers and analyzers disposed at positions sandwiching the image sensor, and an image sensor that captures an optical signal carrying information related to the birefringence of the measurement object emitted from the analyzer and outputs the optical signal to the analysis device. 2. The birefringence measuring apparatus considering wavelength dependency according to claim 1, comprising a two-dimensional measuring optical system. 前記解析装置は、前記光信号の波数をkとし、前記測定対象の複屈折、複屈折位相差、厚さ、及び主軸方位をそれぞれδ、Δ(k)、d、及びφとし、前記複屈折δの周波数成分項、分散項、及び位相情報をそれぞれδn0、δλ、φ(k)と表したときに、前記波長依存性を考慮した複屈折位相差Δ(k)を、
Figure 0004011902
の関係を満たすように波形解析で周波数情報と位相情報の和として求めるデータ処理手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の波長依存性を考慮した複屈折測定装置。
The analysis apparatus sets the wave number of the optical signal to k, and sets the birefringence, birefringence phase difference, thickness, and principal axis direction of the measurement target to δ n , Δ (k), d, and φ, respectively. When the frequency component term, the dispersion term, and the phase information of refraction δ n are expressed as δ n0 , δ λ , and φ (k) , respectively, the birefringence phase difference Δ (k) in consideration of the wavelength dependency is expressed as follows:
Figure 0004011902
2. The birefringence measuring apparatus considering wavelength dependency according to claim 1, further comprising data processing means for obtaining the sum of frequency information and phase information by waveform analysis so as to satisfy the above relationship.
前記データ処理手段は、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる周波数の振幅スペクトルの内のスペクトル分布の頂点の周波数、及びそのスペクトル分布の開始点の周波数をそれぞれf、及びfとし、
前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる位相、前記波数kの最小値、及び最大値をそれぞれφ(k)、kmin、kmaxとしたとき、前記波長依存性を考慮した複屈折位相差Δ(k)を、
Figure 0004011902
の関係を満たすように波形解析で求める手段であることを特徴とする請求項4記載の波長依存性を考慮した複屈折測定装置。
The data processing means sets the frequency at the apex of the spectrum distribution in the amplitude spectrum of the frequency obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal, and the frequency at the start point of the spectrum distribution as f p. , And f s ,
Said optical signal of the light intensity distribution obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the phase, the minimum value of the wave number k, and the maximum value, respectively φ (k), k min, when the k max, the wavelength dependence Considering the birefringence phase difference Δ (k),
Figure 0004011902
5. The birefringence measuring apparatus considering wavelength dependence according to claim 4, wherein the means is obtained by waveform analysis so as to satisfy the above relationship.
前記データ処理手段は、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる周波数の振幅スペクトルの内のスペクトル分布の開始点の周波数をfSとし、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる位相、前記波数kの最小値、及び最大値をそれぞれφ’(k)、kmin、kmaxとしたとき、前記波長依存性を考慮した複屈折位相差Δ(k)を、
Figure 0004011902
の関係を満たすように波形解析で求める手段であることを特徴とする請求項4記載の波長依存性を考慮した複屈折測定装置。
The data processing means indicates the light intensity distribution of the optical signal, where fS is the frequency of the start point of the spectrum distribution in the amplitude spectrum of the frequency obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal. phase obtained by Fourier analysis of the waveform data, the minimum value of the wave number k, and the maximum value, respectively φ '(k), k min , k when the max, birefringence phase difference in consideration of the wavelength dependence delta ( k)
Figure 0004011902
5. The birefringence measuring apparatus considering wavelength dependence according to claim 4, wherein the means is obtained by waveform analysis so as to satisfy the above relationship.
前記データ処理手段は、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる周波数の振幅スペクトルの内のスペクトル分布の開始点の周波数をfとし、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる位相、前記波数kの最小値、及び最大値をそれぞれφ’(k)、kmin、kmaxとしたとき、前記複屈折位相差Δ(k)を、
Figure 0004011902
の関係を満たすように波形解析で求める手段であることを特徴とする請求項4記載の波長依存性を考慮した複屈折測定装置。
The data processing means sets f S as the frequency of the start point of the spectrum distribution in the amplitude spectrum of the frequency obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal, and determines the light intensity distribution of the optical signal. obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the phase, the minimum value of the wave number k, and the maximum value, respectively φ '(k), k min , when the k max, the birefringence phase difference Δ a (k),
Figure 0004011902
5. The birefringence measuring apparatus considering wavelength dependence according to claim 4, wherein the means is obtained by waveform analysis so as to satisfy the above relationship.
前記データ処理手段は、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる周波数の振幅スペクトルの内のスペクトル分布の頂点の周波数をfPとし、前記光信号の光強度分布を示す波形データのフーリエ解析で得られる位相、前記波数kの最小値、及び最大値をそれぞれφ’(k)、kmin、kmaxとしたとき、前記複屈折位相差Δ(k)を、
Figure 0004011902
の関係を満たすように波形解析で求める手段であることを特徴とする請求項4記載の波長依存性を考慮した複屈折測定装置。
The data processing means uses fP as the frequency of the peak of the spectrum distribution in the amplitude spectrum of the frequency obtained by Fourier analysis of the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal, and the waveform indicating the light intensity distribution of the optical signal. phase obtained by Fourier analysis of the data, the minimum value of the wave number k, and the maximum value, respectively φ '(k), k min , when the k max, the birefringence phase difference Δ a (k),
Figure 0004011902
5. The birefringence measuring apparatus considering wavelength dependence according to claim 4, wherein the means is obtained by waveform analysis so as to satisfy the above relationship.
測定対象の複屈折に関する情報を担う光信号の光強度分布を示す波形データから高次複屈折の次数を含む周波数成分及び波長依存性を担う位相成分を解析し、その解析データから前記高次複屈折に加え、前記波長依存性を示す複屈折をキャリア成分項と分散項とに分けて求めることを特徴とする波長依存性を考慮した複屈折測定方法。From the waveform data indicating the light intensity distribution of the optical signal that bears information on the birefringence of the measurement target, the frequency component including the order of higher-order birefringence and the phase component responsible for wavelength dependence are analyzed, and the higher-order birefringence is analyzed from the analysis data. In addition to refraction, the birefringence exhibiting the wavelength dependency is obtained separately for a carrier component term and a dispersion term .
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