JP4947998B2 - 光学特性計測装置及び光学特性計測方法 - Google Patents
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さらに、複屈折を定量的かつ精度よく計測するために、回転検光子法、ヘテロダイン干渉法などの偏光計測が行われている(特許文献4,5参照)。
測定対象の光学特性を計測する計測装置であって、
所定の波長の光を出射する光源と、少なくとも5個の光学素子と、前記少なくとも5個の光学素子及び前記測定対象によって前記光を変調させることによって得られる測定光を受光する受光部と、を含む光学系と、
前記測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、及び、主軸方位の少なくとも一方を算出する演算処理を行う演算処理部と、
を含み、
前記少なくとも5個の光学素子は、第1及び第2の偏光子、第1及び第2の1/2波長板、並びに、1/4波長板を含み、
前記光学系は、前記光源から出射された光を、前記第1の偏光子、前記第1の1/2波長板、前記1/4波長板、並びに、前記第2の1/2波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第2の偏光子を介して前記受光部に入射させるように、かつ、
少なくとも、前記第1及び第2の1/2波長板が回転可能に構成されてなり、
前記光強度情報取得部では、
前記第1及び第2の1/2波長板の主軸方位の少なくとも一方が異なる第1〜第K(Kは2以上の整数)の主軸方位条件を満たす前記光学系で得られる第1〜第Kの前記測定光の光強度情報を取得し、
前記演算処理部では、
前記測定対象の複屈折位相差及び主軸方位の少なくとも一方を変数として含む、前記少なくとも5個の光学素子の主軸方位を反映した第1〜第Kの前記光強度の理論式と、前記第1〜第Kの測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、及び、主軸方位の少なくとも一方を算出する演算処理を行う。
測定対象の光学特性を計測する計測装置であって、
光学系に含まれる少なくとも5個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、及び、主軸方位の少なくとも一方を算出する演算処理を行う演算処理部と、
を含み、
前記少なくとも5個の光学素子は、第1及び第2の偏光子、第1及び第2の1/2波長板、並びに、1/4波長板を含み、かつ、少なくとも前記第1及び第2の1/2波長板が回転可能に構成されてなり、
前記測定光は、光源から出射された所与の波長の光を、前記第1の偏光子、前記第1の1/2波長板、前記1/4波長板、並びに、前記第2の1/2波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第2の偏光子を介して受光部に入射させることで得られる光であり、
前記光強度情報取得部では、
前記第1及び第2の1/2波長板の主軸方位の少なくとも一方が異なる第1〜第K(Kは2以上の整数)の主軸方位条件を満たす前記光学系で得られる第1〜第Kの前記測定光の光強度情報を取得し、
前記演算処理部では、
前記測定対象の複屈折位相差及び主軸方位の少なくとも一方を変数として含む、前記少なくとも5個の光学素子の主軸方位を反映した第1〜第Kの前記光強度の理論式と、前記第1〜第Kの測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、及び、主軸方位の少なくとも一方を算出する演算処理を行う。
前記第1の偏光子、前記第1及び第2の1/2波長板、並びに、前記1/4波長板は位相変調部を構成し、
前記第1〜第Kの測定光は、前記位相変調部の複屈折位相差及び主軸方位の少なくとも一方が異なる前記光学系で得られる測定光であってもよい。
前記第1〜第Kの測定光は、それぞれ、前記位相変調部が、複屈折位相差の値がL(Lは2以上の整数)個の設定値のいずれかで、かつ、前記主軸方位の値がM(Mは2以上の整数)個の設定値のいずれかであるL×M通りの前記光学系のいずれかで得られる測定光であってもよい。
前記L及びMは、互いに素であってもよい。
前記測定光の光強度をIとし、前記位相変調部の複屈折位相差及び主軸方位を、それぞれδ,θとすると、
前記演算処理部では、
前記第2の1/2波長板及び前記検光子の主軸方位を、それぞれ、θ2,θ3とすると、
前記光強度情報取得部では、
θ3=2θ2+45°
を満たす前記光学系で得られる前記測定光の光強度情報を取得してもよい。
前記光強度情報取得部では、
前記第1及び第2の1/2波長板が所与の回転比で連続的に回転する前記光学系で得られる前記測定光の光強度情報を取得してもよい。
前記光強度情報取得部では、
前記第1及び第2の1/2波長板がM:Lの回転比で回転する前記光学系で得られる前記測定光の光強度情報を取得してもよい。
前記第1及び第2の1/2波長板を回転駆動させる第1及び第2のアクチュエータと、
前記第1及び第2の1/2波長板の主軸方位を検出する第1及び第2の検出部と、
前記第1及び第2のアクチュエータの動作を制御する制御信号を生成する制御信号生成部と、
をさらに含み、
前記制御信号生成部は、前記第1及び第2の検出部からの検出信号に基づいて、前記制御信号を生成してもよい。
測定対象の光学特性を計測する計測方法であって、
光学系に含まれる少なくとも5個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得手順と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、及び、主軸方位の少なくとも一方を算出する演算処理を行う演算処理手順と、
を含み、
前記少なくとも5個の光学素子は、第1及び第2の偏光子、第1及び第2の1/2波長板、並びに、1/4波長板を含み、かつ、少なくとも前記第1及び第2の1/2波長板が回転可能に構成されてなり、
前記測定光は、光源から出射された所与の波長の光を、前記第1の偏光子、前記第1の1/2波長板、前記1/4波長板、並びに、前記第2の1/2波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第2の偏光子を介して受光部に入射させることで得られる光であり、
前記光強度情報取得手順では、
前記第1及び第2の1/2波長板の主軸方位の少なくとも一方が異なる第1〜第K(Kは2以上の整数)の主軸方位条件を満たす前記光学系で得られる第1〜第Kの前記測定光の光強度情報を取得し、
前記演算処理手順では、
前記測定対象の複屈折位相差及び主軸方位の少なくとも一方を変数として含む、前記少なくとも5個の光学素子の主軸方位を反映した第1〜第Kの前記光強度の理論式と、前記第1〜第Kの測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、及び、主軸方位の少なくとも一方を算出する演算処理を行う。
前記第1の偏光子、前記第1及び第2の1/2波長板、並びに、前記1/4波長板は位相変調部を構成し、
前記第1〜第Kの測定光は、前記位相変調部の複屈折位相差及び主軸方位の少なくとも一方が異なる前記光学系で得られる測定光であってもよい。
前記第1〜第Kの測定光は、それぞれ、前記位相変調部が、複屈折位相差の値がL(Lは2以上の整数)個の設定値のいずれかで、かつ、前記主軸方位の値がM(Mは2以上の整数)個の設定値のいずれかであるL×M通りの前記光学系のいずれかで得られる測定光であってもよい。
前記L及びMは、互いに素であってもよい。
前記測定光の光強度をIとし、前記位相変調部の複屈折位相差及び主軸方位を、それぞれδ,θとすると、
前記演算処理手順では、
前記第2の1/2波長板及び前記検光子の主軸方位を、それぞれ、θ2,θ3とすると、
前記光強度情報取得手順では、
θ3=2θ2+45°
を満たす前記光学系で得られる前記測定光の光強度情報を取得してもよい。
前記光強度情報取得手順では、
前記第1及び第2の1/2波長板が所与の回転比で連続的に回転する前記光学系で得られる前記測定光の光強度情報を取得してもよい。
前記光強度情報取得手順では、
前記第1及び第2の1/2波長板がM:Lの回転比で回転する前記光学系で得られる前記測定光の光強度情報を取得してもよい。
図1及び図2は、計測装置1の装置構成を説明するための図である。なお、図1は光学系10(計測装置1)の模式図であり、図2は計測装置1のブロック図である。
光学系10は、光源12と受光部14とを含む。光学系10は、また、光源12と受光部14とを結ぶ光路L上に設けられた、偏光子22、第1の1/2波長板24、1/4波長板26、第2の1/2波長板28、並びに、検光子30を含む。これらの光学素子は、光源12から出射された光を、偏光子22、第1の1/2波長板24、1/4波長板26、及び、第2の1/2波長板28を介して試料100に入射させ、試料100によって変調された光を、検光子30を介して受光部14に入射させるように配列されている。以下、それぞれについて説明する。
光強度情報取得部40は、測定光の光強度情報を取得する。すなわち、光強度情報取得部40は、位相変調部20及び試料100、並びに、検光子30によって変調され、受光部14で受光された光(測定光)の光強度情報を取得する。なお、受光部14(分光器及び受光素子)は、光強度情報取得部40の一部を構成していてもよい。
演算処理部60は、測定光の光強度の理論式と、測定光の光強度情報とに基づいて、測定対象(試料100)の複屈折位相差及び主軸方位を算出する演算処理を行う。後で詳述するが、測定光の光強度の理論式は、試料100の複屈折位相差Δ及び主軸方位φを変数として含んでいる。そのため、測定光の光強度の理論式と、測定光の光強度情報とを利用すれば、試料100の複屈折位相差Δ及び主軸方位φを算出することが可能になる。
計測装置1は、第1及び第2の駆動・検出部72,74をさらに含む。ここで、第1の駆動・検出部72は、第1の1/2波長板24を回転させる駆動部であり、かつ、第1の1/2波長板24の主軸方位を検出する検出器である。また、第2の駆動・検出部74は、第2の1/2波長板28を回転させる駆動部であり、かつ、第2の1/2波長板28の主軸方位を検出する検出部である。
計測装置1は、制御装置80を含んでいてもよい。制御装置80は、計測装置1の動作を統括制御する機能を有していてもよい。すなわち、制御装置80は、第1〜第3の駆動・検出部72,74,76を制御して光学素子(第1及び第2の1/2波長板24,28、検光子30)の主軸方位を設定し、光源12の発光動作を制御し、そして、光強度情報取得部40及び演算処理部60の動作を制御してもよい。
次に、本実施の形態に係る光強度特性計測装置が採用する、光学特性計測原理を説明する。
位相変調部20に入射する入射光のストークスパラメータをS0とし、入射光を位相変調部20で変調させることによって得られる変調光のストークスパラメータをSとすると、当該Sは次式で表すことができる。
式(A)〜式(B)を見ると、測定光の光強度Iは、Δ,φ、及び、θ1,θ2(θ3)の関数で表せることがわかる。
次に、本実施の形態に係る光特性計測装置による、光特性計測手順について説明する。
図5は、光強度情報取得手順のフローチャートである。
図6は、演算処理手順のフローチャートである。演算処理手順では、光強度情報取得手順で取得された測定光の光強度情報と、測定光の理論式とに基づいて、試料100の光学特性を算出する。
以下、本実施の形態に係る計測装置に適用可能な、試料100の複屈折位相差Δ及び主軸方位φを算出する演算の一例を示す。
上述したように、受光部14で受光された測定光の光強度の理論式は、Δ≪1、θ3=2θ2+45°の条件で、式(B)と表すことができる。
光学系10の物理的な意味を考察するため、図7に示す、バビネ・ソレイユ補償器BSCを用いた複屈折計測の光学系11と対比する。
以下、式(C)に基づく、具体的な演算処理について説明する。なお、ここでは、試料100の偏光特性(複屈折)による位相変化を検出する手法として位相シフト法を用いる。位相シフト法とは、位相変調部20によって与えられる複屈折位相差δiをi回変化させることで位相成分(Φ)を求める方法である。ただし、以下の演算手法は、計測装置1に適用可能な演算処理の一例であって、本発明は、これに限られるものではない。
上述した式(C)に基づいて(位相シフト法を利用して)正確な演算処理を行うためには、適当な条件を満たす光強度情報(データ)を取得する必要がある。すなわち、位相シフト法によると、1つの位相Φθ1を算出するためには、位相変調部20の主軸方位がθ1(一定)で、かつ、位相変調部20の複屈折位相差がδ1〜δLの各値に設定された光学系10で得られる複数の測定光(L個の測定光)の光強度情報が必要である。また、位相Φθ2を算出するためには、位相変調部20の主軸方位がθ2で、かつ、位相変調部20の複屈折位相差がδ1〜δLの各値に設定された光学系10で得られる複数の測定光(L個の測定光)の光強度情報が必要である。このことから、すべての位相Φ1〜ΦMを算出するためには、位相変調部20が、主軸方位がθ1〜θMの各値で、かつ、位相変調部20の複屈折位相差がδ1〜δLの各値に設定された光学系10で得られるL×M個の測定光の光強度情報が必要であることがわかる。
上述したように、計測装置1によると、従来の計測装置に比べて高速に計測を行うことができるが、上記の手順によると、位相変調部20の複屈折位相差δ又は主軸方位θの設定値を一定時間固定して計測を行う。すなわち、第1及び第2の1/2波長板24,28の少なくとも一方は、回転と静止を繰り返すことになる。これに対して、第1及び第2の1/2波長板24,28を連続的に回転させながら計測を行うことができれば、上記の手順に比べて、計測速度をさらに大幅に高めることができる。
上述のように、第1及び第2の1/2波長板24,28が連続的に回転する光学系10によって光強度情報を取得する場合には、第1及び第2の1/2波長板24,28、並びに検光子30を、同期させる必要がある。
先に説明したように、本実施の形態では、式(B)を導出する際にΔ≪1との近似を利用した。そのため、Δ≪1を満たさない試料を計測する場合には、正しい計測結果を得られない事態が生じうる。
次に、実際の装置で計測を行う場合に適用可能な装置キャリブレーションについて説明する。
図11(A)〜図12(B)に、本実施の形態に係る光学特性計測装置の計測結果を示す。
Claims (6)
- 測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置において、
光学系に含まれる少なくとも5個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、及び、主軸方位の少なくとも一方を算出する演算処理を行う演算処理部と、
を含み、
前記少なくとも5個の光学素子は、第1及び第2の偏光子、第1及び第2の1/2波長板、並びに、1/4波長板を含み、かつ、少なくとも前記第1及び第2の1/2波長板が回転可能に構成されてなり、
前記測定光は、光源から出射された所与の波長の光を、前記第1の偏光子、前記第1の1/2波長板、前記1/4波長板、並びに、前記第2の1/2波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第2の偏光子を介して受光部に入射させることで得られる光であり、
前記光強度情報取得部では、
前記第1及び第2の1/2波長板の主軸方位の少なくとも一方が異なる第1〜第K(Kは2以上の整数)の主軸方位条件を満たす前記光学系で得られる第1〜第Kの前記測定光の光強度情報を取得し、
前記演算処理部では、
前記測定対象の複屈折位相差及び主軸方位の少なくとも一方を変数として含む、前記少なくとも5個の光学素子の主軸方位を反映した第1〜第Kの前記光強度の理論式と、前記第1〜第Kの測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、及び、主軸方位の少なくとも一方を算出する演算処理を行う光学特性計測装置。 - 請求項1記載の光学特性計測装置において、
前記第1の偏光子、前記第1及び第2の1/2波長板、並びに、前記1/4波長板は位相変調部を構成し、
前記第1〜第Kの測定光は、前記位相変調部の複屈折位相差及び主軸方位の少なくとも一方が異なる前記光学系で得られる測定光である光学特性計測装置。 - 請求項2記載の光学特性計測装置において、
前記第1〜第Kの測定光は、それぞれ、前記位相変調部が、複屈折位相差の値がL(Lは2以上の整数)個の設定値のいずれかで、かつ、前記主軸方位の値がM(Mは2以上の整数)個の設定値のいずれかであるL×M通りの前記光学系のいずれかで得られる測定光である光学特性計測装置。 - 請求項1から請求項3のいずれかに記載の光学特性計測装置において、
前記光強度情報取得部では、
前記第1及び第2の1/2波長板が所与の回転比で連続的に回転する前記光学系で得られる前記測定光の光強度情報を取得する光学特性計測装置。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の光学特性計測装置において、
前記第1及び第2の1/2波長板を回転駆動させる第1及び第2のアクチュエータと、
前記第1及び第2の1/2波長板の主軸方位を検出する第1及び第2の検出部と、
前記第1及び第2のアクチュエータの動作を制御する制御信号を生成する制御信号生成部と、
をさらに含み、
前記制御信号生成部は、前記第1及び第2の検出部からの検出信号に基づいて、前記制御信号を生成する光学特性計測装置。 - 測定対象の光学特性を計測する光学特性計測方法において、
光学系に含まれる少なくとも5個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得手順と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、及び、主軸方位の少なくとも一方を算出する演算処理を行う演算処理手順と、
を含み、
前記少なくとも5個の光学素子は、第1及び第2の偏光子、第1及び第2の1/2波長板、並びに、1/4波長板を含み、かつ、少なくとも前記第1及び第2の1/2波長板が回転可能に構成されてなり、
前記測定光は、光源から出射された所与の波長の光を、前記第1の偏光子、前記第1の1/2波長板、前記1/4波長板、並びに、前記第2の1/2波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第2の偏光子を介して受光部に入射させることで得られる光であり、
前記光強度情報取得手順では、
前記第1及び第2の1/2波長板の主軸方位の少なくとも一方が異なる第1〜第K(Kは2以上の整数)の主軸方位条件を満たす前記光学系で得られる第1〜第Kの前記測定光の光強度情報を取得し、
前記演算処理手順では、
前記測定対象の複屈折位相差及び主軸方位の少なくとも一方を変数として含む、前記少なくとも5個の光学素子の主軸方位を反映した第1〜第Kの前記光強度の理論式と、前記第1〜第Kの測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、及び、主軸方位の少なくとも一方を算出する演算処理を行う光学特性計測方法。
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