JPWO2007111159A1 - 光学特性計測装置及び光学特性計測方法、並びに、光学特性計測ユニット - Google Patents

光学特性計測装置及び光学特性計測方法、並びに、光学特性計測ユニット Download PDF

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Abstract

光学特性計測装置は、光学系１０と、測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部４０と、演算処理部６０とを含む。光学系１０は、光源１２から出射された光を、偏光子２２、１／２波長板２４、第１の１／４波長板２６を介して試料１００に入射させ、試料１００から出射した光を、第２の１／４波長板３４、検光子３６を介して受光部１４に入射させるように、かつ、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６が回転可能に構成されている。光強度情報取得部４０では、複数の測定光の光強度情報を取得する。演算処理部６０では、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、試料の光学特性を表す行列の行列要素を少なくとも１つ算出する。

Description

本発明は、測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置及び光学特性計測方法、並びに、光学特性計測ユニットに関する。
測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を利用して物質の光学特性を解析する技術が知られている。すなわち、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を知ることができれば、測定対象の光学特性（光学特性を表す物理量）を計測することが可能になる。
測定対象の光学特性を表す行列として、例えばミュラー行列が知られており、その行列要素を算出するための種々の技術が知られている。
なお、これらの技術を示す文献として、特開２００５−１１６７３２号公報、特表２０００−５０２４６１号公報、Collins, R. W. and Y. T. Kim,"Ellipsometry for thin-film and Surface analysis," Ann. Chem.,62,887a-900a(1990).、Azzam, R. M. A.,"Photopolarimetric Muasurement of the Mueller Matrix by Fourier Analysisi of a Single Detected Signal,"Opt.Lett.2:148-150(1978).、D. Lara and C. Dainty,"Polarization sensitive imaging using a cofocal Mueller matrix ellipsometer" ICO topical Meeting on Polarization Optics,226-227(2003).が知られている。
上述の文献に記載された手法には、それぞれ、次のような課題がある。
特開２００５−１１６７３２号公報に記載された技術によれば、ミュラー行列の行列要素を高精度に計測することが困難である。
特表２０００−５０２４６１号公報に記載された技術によれば、計測のために高電圧を利用する必要があり、また、高価な変調素子を利用する必要がある。
Collins, R. W. and Y. T. Kim,"Ellipsometry for thin-film and Surface analysis," Ann. Chem.,62,887a-900a(1990).に記載された技術によると、９個のミュラー行列の行列要素を算出するために、最低でも１２個の分光強度が必要になり、効率のよい計測は困難である。
Azzam, R. M. A.,"Photopolarimetric Muasurement of the Mueller Matrix by Fourier Analysisi of a Single Detected Signal,"Opt.Lett.2:148-150(1978).に記載された技術によると、計測に時間がかかり、また、１６個のミュラー行列の行列要素をすべて算出するために、最低でも４８個の分光強度が必要になり、効率のよい計測は困難である。
D. Lara and C. Dainty,"Polarization sensitive imaging using a cofocal Mueller matrix ellipsometer" ICO topical Meeting on Polarization Optics,226-227(2003).に記載された技術によると、計測のために高電圧を利用する必要があり、また、高価な光学素子を利用する必要がある。さらに、４個のディテクタが必要になるため、簡易な装置構成にすることが困難である。
本発明の目的は、構成が比較的簡易で、かつ、少ない測定データで測定対象の光学特性を表す行列（ミュラー行列）の行列要素を算出することが可能な光学特性計測装置及び光学特性計測方法、並びに、測定対象の光学特性を計測する光学特性計測ユニットを提供することにある。
（１）本発明に係る光学特性計測装置は、
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置であって、
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で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、前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つ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、１／２波長板、第１及び第２の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１／２波長板、及び、前記第１の１／４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１／４波長板及び前記第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１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子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１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子の主軸方位の少なくとも１つが異なる第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の条件に設定された前記光学系で得られる第１〜第Ｎ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、
前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を変数として含む、前記少なくとも５個の光学素子の主軸方位を反映した前記第１〜第Ｎの測定光の光強度の理論式と、前記第１〜第Ｎの測定光の光強度情報とに基づいて、前記行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う。
本発明によると、測定光の光強度の理論式は、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を変数として含む式として表すことができる。また、測定光の光強度の理論式は、光学素子の主軸方位を反映したものとなる。このことから、光強度情報取得部で取得される１つの光強度情報と、そのときの光学素子の主軸方位情報とを利用すれば、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の関係を示す関係式を１つ導出することができる。
また、光学素子の主軸方位が変われば、取得される光強度及び光強度の理論式に含まれる係数が変化するため、光強度の理論式が変わる。
そのため、光学素子の主軸方位を適当に設定し、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の関係を示す複数の関係式を導出すれば、これらを連立させて解くことによって、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を算出することができる。
本発明では、光強度情報取得部で、第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の光強度情報、すなわち、Ｎ個の光強度情報を取得する。ここで、第１〜第Ｎの光強度情報は、それぞれ、第１〜第Ｎの条件に設定された光学系で得られる測定光の強度情報である。そして、第１〜第Ｎの条件に設定された光学系とは、相互に、光学素子（第１及び第２の１／２波長板）の少なくとも１つの主軸方位が異なる光学系である。
例えば、はじめに第１の設定がなされた光学系を利用して、第１の光強度情報を取得する。次に、第２の設定がなされた光学系を利用して、第２の光強度情報を取得する。これをＮ回繰り返すことによって、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を変数として含む関係式を、Ｎ個導出してもよい。
そして、Ｎ個の関係式を、行列要素について解くことによって、当該行列要素を数値として算出することができる。各行列要素は測定対象の光学特性を表すことから、行列要素を算出すれば、測定対象の光学特性を計測することが可能になる。
なお、本発明によると、光学系を、回転型の光学素子のみを利用して構成することができるため、光学系の設定・変更を短時間で正確に行うことができる。そのため、本発明によると、光学特性の精度の高い計測を、効率よく行うことが可能な光学特性計測装置を提供することができる。
（２）本発明に係る光学特性計測装置は、
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置であって、
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、前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つ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、１／２波長板、第１及び第２の１／４波長板を含み、かつ、少なくとも、前記１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子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定の波長の光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記第１の１／４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１／４波長板及び前記第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１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子の主軸方位の少なくとも１つが異なる第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の条件に設定された前記光学系で得られる第１〜第Ｎ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、
前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を変数として含む、前記少なくとも５個の光学素子の主軸方位を反映した前記第１〜第Ｎの測定光の光強度の理論式と、前記第１〜第Ｎの測定光の光強度情報とに基づいて、前記行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う。
本発明によると、測定光の光強度の理論式は、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を変数として含む式として表すことができる。また、測定光の光強度の理論式は、光学素子の主軸方位を反映したものとなる。このことから、光強度情報取得部で取得される１つの光強度情報と、そのときの光学素子の主軸方位情報とを利用すれば、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の関係を示す関係式を１つ導出することができる。
また、光学素子の主軸方位が変われば、取得される光強度及び光強度の理論式に含まれる係数が変化するため、光強度の理論式が変わる。
そのため、光学素子の主軸方位を適当に設定し、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の関係を示す複数の関係式を導出すれば、これらを連立させて解くことによって、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を算出することができる。
なお、各行列要素は測定対象の光学特性を表すことから、行列要素を算出すれば、測定対象の光学特性を計測することが可能になる。
（３）この光学特性計測装置において、
前記１／２波長板及び前記第１の１／４波長板は第１の位相変調部を構成し、前記第２の１／４波長板及び前記第２の偏光子は第２の位相変調部を構成してなり、
前記第１〜第Ｎの条件に設定された光学系とは、それぞれ、
前記第１の位相変調部が、前記１／２波長板及び前記第１の１／４波長板の主軸方位の少なくとも一方が異なる第１〜第Ｌ（Ｌは２以上の整数）の条件に設定され、かつ、
前記第２の位相変調部が、前記第２の１／４波長板及び前記第２の偏光子の主軸方位の少なくとも一方が異なる第１〜第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の条件に設定された光学系であり、
Ｎ＝Ｌ×Ｍを満たしていてもよい。
（４）この光学特性計測装置において、
前記Ｌ及びＭは、それぞれ、４以上の整数であってもよい。
（５）この光学特性計測装置において、
Ｌ＝Ｍであってもよい。
（６）この光学特性計測装置において、
前記第１及び第２の１／４波長板の主軸方位を、それぞれ、θ２，θ３とすると、
前記第１〜第Ｎの条件に設定された光学系とは、それぞれ、
２θ２が１８０度の整数倍又は９０度の奇数倍であり、かつ、
２θ３が１８０度の整数倍又は９０度の奇数倍であってもよい。
これによると、後述する式（１３）〜式（１６）に示すように、測定光の光強度の理論式を単純化することができる。そのため、演算処理にかかる負荷が小さくなり、演算処理速度を高めることができるため、計測速度を高めることができる。
（７）この光学特性計測装置において、
前記演算処理部で、前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素をすべて算出してもよい。
なお、測定対象の光学特性を表す行列とは、ミュラー行列であってもよい。そして、この発明では、ミュラー行列の１６個の行列要素をすべて算出するように構成されていてもよい。
あるいは、測定対象の光学特性を表す行列とはジョーンズ行列であってもよく、この発明は、ジョーンズ行列の４個の行列要素をすべて算出するように構成されていてもよい。
ただし、この光学特性計測装置は、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の一部のみを算出するように構成されていてもよい。
（８）こ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１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記検光子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。 これによると、光学素子が連続的に回転する光学系で得られる測定光の光強度情報を利用して、光学特性計測を行うことができる。そのため、回転と静止を繰り返す光学素子を利用する場合に較べて、計測を高速化することができる。
（９）こ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１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記検光子を、互いに素な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。
これにより、計測に必要なデータをすべて取得することが可能になる。
（１０）この光学特性計測装置において、
前記１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子を駆動させる第１〜第４のアクチュエータと、
前記１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子の主軸方位を検出する第１〜第４の検出部と、
前記第１〜第４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〜第４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。
（１１）本発明に係る光学特性計測ユニットは、上記のいずれかの光学特性計測装置を含む。
この光学特性計測ユニットは、測定対象の光学特性を表す行列（ミュラー行列やジョーンズ行列）の行列要素を利用して、測定対象の光学特性要素（測定対象の光学特性を表す物理量）を算出する構成をなしていてもよい。このとき、光学特性計測ユニットは、測定対象の複屈折位相差やデポラリゼーション、主軸方位、旋光角、二色性等の光学特性要素を算出するように構成されていてもよい。
（１２）本発明に係る光学特性計測方法は、
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、
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、前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つ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、１／２波長板、第１及び第２の１／４波長板を含み、かつ、少なくとも、前記１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子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定の波長の光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記第１の１／４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１／４波長板及び前記第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１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子の主軸方位の少なくとも１つが異なる第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の条件に設定された前記光学系で得られる第１〜第Ｎ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、
前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を変数として含む、前記少なくとも５個の光学素子の主軸方位を反映した前記第１〜第Ｎの測定光の光強度の理論式と、前記第１〜第Ｎの測定光の光強度情報とに基づいて、前記行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う。
本発明によると、測定光の光強度の理論式は、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を変数として含む式として表すことができる。また、測定光の光強度の理論式は、光学素子の主軸方位を反映したものとなる。このことから、光強度情報取得部で取得される１つの光強度情報と、そのときの光学素子の主軸方位情報とを利用すれば、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の関係を示す関係式を１つ導出することができる。
また、光学素子の主軸方位が変われば、取得される光強度及び光強度の理論式に含まれる係数が変化するため、光強度の理論式が変わる。
そのため、光学素子の主軸方位を適当に設定して、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の関係を示す複数の関係式を導出すれば、これらを連立させて解くことによって、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を算出することができる。
本発明では、光強度情報取得手順で、第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の光強度情報、すなわち、Ｎ個の光強度情報を取得する。ここで、第１〜第Ｎの光強度情報は、それぞれ、第１〜第Ｎの条件に設定された光学系で得られる測定光の強度情報である。そして、第１〜第Ｎの条件に設定された光学系とは、相互に、光学素子（第１及び第２の１／２波長板）の少なくとも１つの主軸方位が異なる光学系である。
例えば、はじめに第１の設定がなされた光学系を利用して、第１の光強度情報を取得する。次に、第２の設定がなされた光学系を利用して、第２の光強度情報を取得する。これをＮ回繰り返すことによって、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を変数として含む関係式を、Ｎ個導出してもよい。
そして、Ｎ個の関係式を、行列要素について解くことによって、当該行列要素を数値として算出することができる。各行列要素は測定対象の光学特性を表すことから、行列要素を算出すれば、測定対象の光学特性を計測することが可能になる。
なお、本発明によると、光学系を、回転型の光学素子のみを利用して構成することができるため、光学系の設定・変更を短時間で正確に行うことができる。そのため、本発明によると、光学特性の精度の高い計測を、効率よく行うことが可能な光学特性計測方法を提供することができる。
（１３）この光学特性計測方法において、
前記１／２波長板及び前記第１の１／４波長板は第１の位相変調部を構成し、前記第２の１／４波長板及び前記第２の偏光子は第２の位相変調部を構成してなり、
前記第１〜第Ｎの条件に設定された光学系とは、それぞれ、
前記第１の位相変調部が、前記１／２波長板及び前記第１の１／４波長板の主軸方位の少なくとも一方が異なる第１〜第Ｌ（Ｌは２以上の整数）の条件に設定され、かつ、
前記第２の位相変調部が、前記第２の１／４波長板及び前記第２の偏光子の主軸方位の少なくとも一方が異なる第１〜第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の条件に設定された光学系であり、 Ｎ＝Ｌ×Ｍを満たしていてもよい。
このとき、Ｌ及びＭは４以上の整数であってもよい。また、Ｌ＝Ｍであってもよい。
（１４）この光学特性計測方法において、
前記第１及び第２の１／４波長板の主軸方位を、それぞれ、θ２，θ３とすると、
前記第１〜第Ｎの条件に設定された光学系とは、それぞれ、
２θ２が１８０度の整数倍又は９０度の奇数倍であり、かつ、
２θ３が１８０度の整数倍又は９０度の奇数倍であってもよい。
これによると、後述する式（１３）〜式（１６）に示すように、測定光の光強度の理論式を単純化することができる。そのため、演算処理にかかる負荷が小さくなり、演算処理速度を高めることができるため、計測速度を高めることができる。
（１５）この光学特性計測方法において、
前記演算処理手順で、前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素をすべて算出してもよい。
なお、測定対象の光学特性を表す行列とは、ミュラー行列であってもよい。そして、この発明では、ミュラー行列の１６個の行列要素をすべて算出するように構成されていてもよい。
あるいは、測定対象の光学特性を表す行列とはジョーンズ行列であってもよく、この発明は、ジョーンズ行列の４個の行列要素をすべて算出するように構成されていてもよい。
ただし、この光学特性計測装置は、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の一部のみを算出するように構成されていてもよい。
（１６）この光学特性計測方法において、
前記光強度情報取得手順では、
前記１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記検光子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。
これによると、光学素子が連続的に回転する光学系で得られる測定光の光強度情報を利用して、光学特性計測を行うことができる。そのため、回転と静止を繰り返す光学素子を利用する場合に較べて、計測を高速化することができる。
（１７）この光学特性計測方法において、
前記光強度情報取得手順では、
前記１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記検光子が互いに素な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。
これにより、計測に必要なデータをすべて取得することが可能になる。
図１は、光学特性計測装置の概略図である。 図２は、光学特性計測装置のブロック図である。 図３は、光学特性計測装置について説明するための図である。 図４は、光学特性計測装置について説明するための図である。 図５は、光強度情報取得手順を示すフローチャート図である。 図６は、演算処理手順を示すフローチャート図である。 図７Ａは、計測結果を示す図である。 図７Ｂは、計測結果を示す図である。 図７Ｃは、計測結果を示す図である。 図８Ａは、計測結果を示す図である。 図８Ｂは、計測結果を示す図である。 図８Ｃは、計測結果を示す図である。 図９Ａは、計測結果を示す図である。 図９Ｂは、計測結果を示す図である。 図９Ｃは、計測結果を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
本発明の実施の形態に係る計測装置（光学特性計測装置）は、測定対象の光学特性を計測するものである。
以下、本発明を適用した実施の形態に係る光学特性計測装置として、測定対象である試料１００の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出することが可能な計測装置１について説明する。
（１）装置構成
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。
本実施の形態に係る計測装置１は、測定対象である試料１００の光学特性を計測する装置である。計測装置１は、光学系１０と、光強度情報取得部４０と、演算処理部６０とを含む。光強度情報取得部４０では、光学系１０に含まれる光学素子及び試料１００によって変調された測定光の光強度情報を取得する。演算処理部６０では、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、試料１００の光学特性（行列要素）を算出する演算処理を行う。なお、試料１００は、光を透過させる物質であってもよく、光を反射させる物質であってもよい。
以下、計測装置１の装置構成について説明する。
１−１：光学系１０
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１１上に設けられた、偏光子２２、１／２波長板２４、第１の１／４波長板２６、第２の１／４波長板３４、並びに、検光子３６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、１／２波長板２４、及び、第１の１／４波長板２６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、第２の１／４波長板３４、及び、検光子３６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。
光源１２は、所定の波長（波数）の光を出射する。すなわち、光源１２は、単色光を出射する発光装置であるといえる。光源１２として、レーザーやＳＬＤなどを利用してもよい。なお、光源１２は、出射する光の波長（波数）を変更することが可能な構成をなしていてもよい。
偏光子２２は、検光子３６と対になり、光源１２から出射された光を直線偏光とする入射側の偏光子である。
１／２波長板２４は、直線偏光の振動方向を変える光学素子である。また、第１及び第２の１／４波長板２６，３４は、直線偏光を円偏光（楕円偏光）に変える光学素子である。なお、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４は、光源１２から出射される光の波長に対応したものを選択する。
検光子３６は、試料１００によって変調された光（第２の１／４波長板３４から出射された光）を直線偏光とする出射側の偏光子である。検光子３６は、偏光子２２と対をなしている。すなわち、偏光子２２を第１の偏光子と、検光子３６を第２の偏光子と、それぞれ称してもよい。
光学系１０では、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６は、回転可能に構成されている。なお、光学系１０では、偏光子２２についても、回転可能に構成されていてもよい。これらの光学素子は、回転することによって、その主軸方位を変えることができる。そして、光学系１０では、光源１２から出射された光は、光学素子の回転角によって、任意に位相が変調される。
なお、光学系１０では、１／２波長板２４及び第１の１／４波長板２６は第１の位相変調部２５を構成し、第２の１／４波長板３４及び検光子３６は第２の位相変調部３５を構成していてもよい。
受光部１４は、測定光を受光する。受光部１４は、複数の受光素子１５を含んでいてもよい。複数の受光素子１５は、図３に示すように、平面的に（二次元的に）配列されていてもよい。このとき、複数の受光素子１５は、受光面を構成していてもよい。そして、光強度情報取得部４０では、受光素子１５毎に、入射した測定光の光強度情報を取得してもよい。受光部１４として、例えば、ＣＣＤを利用してもよい。
光学系１０は、図示しないビームエキスパンダーを含んでいてもよい。ビームエキスパンダーは、ビーム径を大きくするための光学素子（装置）である。ビームエキスパンダーは、光源１２と試料１００との間に配置される。すなわち、ビームエキスパンダーは、光路１１における試料１００よりも上流側に配置される。これにより、試料１００の広範囲に光を照射することができる。そして、ビームエキスパンダーと対応して、受光素子１５が二次元的に配列された受光部１４を利用することで、試料１００の広範囲にわたり、光学特性を計測することが可能になる。すなわち、広がりを有する試料１００に対して、効率よく光特性計測を行うことができる。言い換えると、試料１００を、広がりを有する「面」として解析することが可能になる。ただし、本発明には、ビームエキスパンダーを有しない光学系を利用してもよい。
光学系１０は、図示しない反射板（ミラー）を有する構成としてもよい。反射板を利用することで、光学系１０を、試料１００を水平に配置することが可能な構成にすることができる。すなわち、反射板を利用することで、計測装置１を顕微鏡型の構成としてもよい。ただし、反射板を利用せずに、計測装置１を顕微鏡型の構成としてもよい。
光学系１０は、また、図１及び図２に示すように、試料１００を透過した透過光が、第２の１／４波長板３４（第２の位相変調部３５）に入射するように構成されていてもよい。ただし、光学系１０は、試料１００からの反射光が、第２の１／４波長板３４（第２の位相変調部３５）に入射するように構成されていてもよい（図示せず）。
１−２：光強度情報取得部４０
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、光学系１０に含まれる光学素子（偏光子２２、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６）、及び、試料１００によって変調された光（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、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は、光強度情報取得部４０の一部を構成していてもよい。
計測装置１では、光強度情報取得部４０は、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６の主軸方位の少なくとも１つが異なる第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の条件（主軸方位条件）に設定された光学系１０で得られる、第１〜第Ｎの測定光（複数の測定光）の光強度情報を取得する。
詳しくは、光強度情報取得部４０では、第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の光強度情報、すなわち、Ｎ個の光強度情報を取得する。ここで、第１〜第Ｎの光強度情報とは、それぞれ、第１〜第Ｎの条件（主軸方位条件）に設定された光学系１０で得られる測定光の強度情報である。そして、第１〜第Ｎの条件（主軸方位条件）に設定された光学系１０とは、相互に、光学素子（１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６）の少なくとも１つの主軸方位が異なる光学系１０である。
なお、第１〜第Ｎの主軸方位条件とは、第１の位相変調部２５が、１／２波長板２４及び第１の１／４波長板２６の主軸方位の少なくとも一方が異なる第１〜第Ｌ（Ｌは２以上の整数）の条件のいずれかに設定されてなり、かつ、第２の位相変調部３５が、第２の１／４波長板３４及び検光子３６の主軸方位の少なくとも一方が異なる第１〜第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の条件のいずれかに設定されていてもよい。例えば、第１の位相変調部２５を第１の条件に設定した状態で、第２の位相変調部３５を第１〜第Ｍの条件に順次変更して、Ｍ個の測定光の光強度情報を取得する。次いで、第１の位相変調部２５を第２の条件に設定し、その状態で、第２の位相変調部３５を第１〜第Ｍの条件に順次変更して、Ｍ個の測定光の光強度情報を取得する。これらの動作を繰り返すことによって、Ｌ×Ｍ個の測定光の光強度情報を取得してもよい。このとき、Ｎ＝Ｌ×Ｍを満たす。また、Ｌ及びＭは、４以上の整数であってもよく、Ｌ＝Ｍであってもよい。
また、第１〜第Ｎの主軸方位条件では、偏光子２２の主軸方位は一定であってもよく、互いに異なっていてもよい。
そして、光強度情報取得部４０で取得された複数の光強度情報は、制御装置８０の記憶装置５０に格納されてもよい。記憶装置５０では、複数の光強度情報を、光学系１０の設定条件（偏光子２２、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６の主軸方位）と対応させて格納してもよい。例えば、記憶装置５０では、第１〜第Ｎの条件における光学素子の主軸方位と、第１〜第Ｎの光強度情報とを、対応させて格納してもよい。
１−３：演算処理部６０
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）の光学特性を表す行列の行列要素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の光学特性を表す行列の行列要素を変数として含んだ形で表すことができる。また、測定光の光強度の理論式に表れる係数は、光学系１０の光学素子の主軸方位設定により変化する。そのため、光学素子の主軸方位の設定が異なる光学系１０で得られる複数の測定光の光強度情報を取得し、これと光強度の理論式を対応させることで、複数の行列要素の関係を示す複数の関係式を導出することができる。そして、この関係式を各行列要素について解けば、行列要素を数値として算出することができる。
また、試料１００の光学特性を表す行列の行列要素を算出することができれば、これを利用して、試料１００の光学特性（例えば、複屈折位相差や主軸方位、旋光角、二色性、デポラリゼーション等）を算出（計測）することが可能になる。
１−４：駆動・検出部
計測装置１は、第１〜第４の駆動・検出部７２，７４，７６，７８をさらに含む。なお、第１〜第４の駆動・検出部７２〜７８は、それぞれ、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６を回転させる駆動部であり、かつ、これらの光学素子の主軸方位を検出する検出部（センサ）である。
計測装置１は、さらに、他の駆動・検出部７５を含んでいてもよい。駆動・検出部７５は、偏光子２２を回転させる駆動部であり、かつ、偏光子２２の主軸方位を検出する検出部（センサ）である。 なお、計測装置１では、第１〜第４の駆動・検出部７２〜７８は、光学素子を所定の回転比で連続的に回転させるように構成されていてもよい。
そして、計測装置１は、第１〜第４の駆動・検出部７２〜７８の動作を制御する制御信号生成部７０をさらに含んでいてもよい。例えば、制御信号生成部７０は、検出部からの検出信号に基づいて制御信号を生成し、駆動部の動作を制御するように構成されていてもよい。
１−５：制御装置８０
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４の駆動・検出部７２〜７８を制御して光学素子（偏光子２２、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６）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。
制御装置８０は、記憶装置５０及び演算処理部６０を含んでいてもよい。なお、記憶装置５０は、種々のデータを一時記憶する機能を有する。記憶装置５０は、例えば、測定光の光強度情報を、光学素子（偏光子２２、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６）の主軸方位情報（第１〜第Ｎの主軸方位情報）と対応付けて記憶してもよい。
制御装置８０は、また、制御信号生成部７０を含んでいてもよい。そして、制御装置８０は、同期制御部をさらに含んでいてもよい。同期制御部は、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６を連続的に回転させて光強度情報を取得する場合に、これらの光学素子の回転を同期させるための制御を行う。同期制御部は、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６の主軸方位情報に基づいて同期制御信号を生成し、駆動部の動作を制御するように構成されていてもよい。
なお、計測装置１は、特に制御装置８０（演算処理部６０）において、コンピュータを利用した処理が可能である。ここで、コンピュータとは、プロセッサ（処理部：ＣＰＵ等）、メモリ（記憶部）、入力装置、及び、出力装置を基本的な構成要素とする物理的装置（システム）を言う。
図４には、計測装置１を構成する、演算処理システムの機能ブロックの一例を示す。
処理部１１０は、情報記憶媒体１３０に格納されるプログラム（データ）に基づいて本実施形態の種々の処理を行う。即ち情報記憶媒体１３０には、本実施形態の各部としてコンピュータを機能させるためのプログラム（各部の処理をコンピュータに実行させるためのプログラム）が記憶される。
処理部１１０の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などのハードウェアや、プログラムにより実現できる。
記憶部１２０は、処理部などのワーク領域となるもので、その機能はＲＡＭなどにより実現できる。
情報記憶媒体１３０（コンピュータにより読み取り可能な媒体）は、プログラムやデータなどを格納するものであり、その機能は、光ディスク（ＣＤ、ＤＶＤ）、光磁気ディスク（ＭＯ）、磁気ディスク、ハードディスク、磁気テープ、或いはメモリ（ＲＯＭ）などにより実現できる。
情報記憶媒体１３０に格納されたプログラムに基づいて、第１及び第２の１／２波長板２４，２８の回転比が設定され、光源１２の発光動作が制御されてもよい。
表示部１４０は、本計測装置で得られた情報を、画像として表示する機能を有していてもよい。表示部１４０は、既に公知となっているいずれかのハードウェアを適用してもよい。
（２）光学特性計測原理
次に、本実施の形態に係る光学特性計測装置が採用する、光学特性計測原理を説明する。なお、本実施例では、測定対象（試料１００）の光学特性を表す行列としてミュラー行列を例に取り、光学特性計測原理を説明する。
２−１：測定光の光強度の理論式
光源１２から出射される光（出射光）のストークスパラメータＳ０、偏光子２２のミュラー行列Ｐθ、１／２波長板２４のミュラー行列Ｈθ１、第１の１／４波長板２６のミュラー行列Ｑθ２、及び、試料１００のミュラー行列Ｘは、それぞれ、以下のように表すことができる。
なお、これらの式中、θは偏光子２２の主軸方位であり、θ１は１／２波長板２４の主軸方位であり、θ２は第１の１／４波長板２６の主軸方位である。また、ｍ００〜ｍ３３は、試料１００の光学特性を表すミュラー行列の行列要素である。
これらの行列式を利用すると、偏光子２２、１／２波長板２４、及び、第１の１／４波長板２６、並びに、試料１００で変調された出射光のストークスパラメータＳは、
で表すことができる。 ただし、
とした。
なお、Ｓ０〜Ｓ３は、それぞれ、試料１００から出射した光のストークスパラメータの各成分（要素）である。
さらに、第２の１／４波長板３４のストークスパラメータＱθ３と検光子３６のストークスパラメータＡθ４とは、それぞれ、次のように表すことができる。
これらを用いれば、検光子３６を透過して受光部１４に入射する光（測定光）のストークスパラメータＳ´は、
と表すことができる。
この行列演算を行えば、Ｓ´の第１成分から、測定光の光強度Ｉの理論式を、
と表すことができる。
ただし、
である。
２−２：試料１００のミュラー行列の行列要素の算出原理
式（１１）を見ると、測定光の光強度の理論式は、Ｓ０〜Ｓ３，θ３，θ４で表されることがわかる。また、式（６）（及び式（７））を見ると、Ｓ０〜Ｓ３は、ｍ００〜ｍ３３，θ，θ１，θ２で表されることがわかる。
すなわち、光学系１０によると、測定光の光強度の理論式は、試料１００のミュラー行列の行列要素であるｍ００〜ｍ３３、及び、光学系１０の光学素子の主軸方位であるθ，θ１，θ２，θ３，θ４で表されることがわかる。このうち、θ〜θ４は、駆動・検出部によって検出可能である。そのため、光学系１０によると、測定光の光強度の理論式は、ｍ００〜ｍ３３を未知数として含む式で表すことが可能になる。
ところで、測定光の光強度の理論式は、θ〜θ４を含むため、光学系１０の光学素子の主軸方位条件を変えれば、係数の異なる理論式が導出される。また、ｍ００〜ｍ３３は、測定対象（試料１００）に固有の値であり、光学系１０の光学素子の主軸方位を変えた場合でも、その値は変化しない。
このことから、光学素子の主軸方位の少なくとも１つが異なる第１〜第Ｎの条件に設定された光学系１０で得られる第１〜第Ｎの測定光の光強度を、第１〜第Ｎの主軸方位条件と対応させて式（６）及び式（１１）に代入すれば、試料１００のミュラー行列の行列要素ｍ００〜ｍ３３の関係を表すＮ個の関係式を導出することができる。
そして、導出されるＮ個の関係式を連立させて解けば、試料１００のミュラー行列の行列要素を数値として算出することができる。
（３）光特性計測手順
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及び図６には、本実施の形態に係る光特性計測装置の動作フローチャートを示す。
３−１：光強度情報取得手順
図５は、光強度情報取得手順のフローチャートである。
光強度情報取得手順では、まず、光学系１０を構成する光学素子の主軸方位を設定する（ステップＳ１０）。
この状態で、光源１２から光を出射し、光学素子及び試料１００によって変調された測定光を、受光部１４で受光する。そして、光強度情報取得部４０で、受光部１４が受光した測定光の光強度情報を取得する（ステップＳ１２）。
なお、ステップＳ１２の前のいずれかに、光学系１０の光路１１上に、試料１００を設けるステップを行ってもよい。当該ステップは、光学素子の主軸方位を設定するステップの前後のいずれに行ってもよい。
計測装置１では、これらのステップで、第１〜第ＮのＮ個の測定光の光強度情報を取得する。ここで、第１〜第Ｎの測定光の光強度情報とは、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、及び、検光子３６の主軸方位の少なくとも１つが異なる設定がなされた光学系１０で得られる測定光の強度情報である。すなわち、光強度情報取得手順では、上記のステップＳ１０及びステップＳ１２を、光学素子（少なくとも１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、及び、検光子３６）の主軸方位設定を変更して複数回行う。
詳しくは、計測装置１では、はじめに、光学系１０（光学素子の主軸方位）を第１の条件に設定して、第１の光強度情報を取得する。そして、記憶装置５０に、第１の条件（主軸方位情報）と第１の光強度情報とを対応付けして格納する。続いて、光学系１０を第２の条件に設定（変更）して、第２の光強度情報を取得し、記憶装置５０で、第２の条件と第２の光強度情報とを対応付けして格納する。以下、この動作を繰り返し、Ｎ個の主軸方位情報と、Ｎ個の光強度情報を取得し、それぞれを対応させて、記憶装置５０に格納する。
なお、光学系１０の光学素子の主軸方位は、アクチュエータにより設定（変更）することができる。また、光学系の光学素子の主軸方位情報は、検出部で検出してもよく、予めプログラムされた情報に従ってもよい。
３−２：演算処理手順
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。
演算処理手順では、はじめに、測定光の理論式（例えば式（６）及び式（１１））に、光強度情報と、光学素子の主軸方位情報とを代入し、試料１００の光学特性を表す行列の行列要素（ミュラー行列の行列要素）と、測定光の光強度との関係を表す関係式を導出する（ステップＳ２０）。
なお、１つの光強度情報と、対応する１つの主軸方位情報とから、試料１００の光学特性を表す行列の行列要素（ミュラー行列の行列要素）の関係を表す関係式を１つ導出することができる。すなわち、Ｎ個の光強度情報と、対応するＮ個の主軸方位情報とを利用すれば、試料１００の光学特性を表す行列の行列要素（ミュラー行列の行列要素）の関係を表す複数の関係式を導出することができる。
そして、複数の関係式を解くことによって、試料１００の光学特性を表す行列の行列要素（ミュラー行列の行列要素）を算出する（ステップＳ２２）。
（４）試料１００の光学特性を表す行列の行列要素（ミュラー行列の行列要素）を算出する演算の具体例
以下、試料１００のミュラー行列の行列要素を算出する演算の具体的な一例について説明する。
４−１：本具体例で利用する光強度の理論式
先に説明したように、測定光の光強度の理論式は、式（１１）で表すことができる。ここで、式（１１）にθ３＝０°，４５°を代入すると、式（１１）は、
と変形することができる。
同様に、式（６）にθ２＝０°，４５°を代入すると、式（６）は、
と変形することができる。ただし、ｉ＝０，１，２，３である。
本具体例では、これらの式を利用して、試料１００のミュラー行列の行列要素を算出する。
４−２：本具体例における光学系の主軸方位条件
本具体例では、次に示す表１の通りに光学素子（１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６）の主軸方位を設定して、Ｉ（０）〜Ｉ（１５）の１６個の光強度情報を取得する。なお、偏光子２２の主軸方位を０°に設定した。
４−３：演算手順
はじめに、式（１３）にＩ（０）及びδ´＝０°と、Ｉ（４）及びδ´＝９０°を代入し、式（１４）にＩ（８）及びδ´＝１８０°と、Ｉ（１２）及びδ´＝２７０°を代入する。これにより、次に示す４式を導出することができる。
そして、式（１７）〜式（２０）を連立させると、次に示すように、Ｓ０〜Ｓ３を算出することができる。
なお、表１を見ると、Ｉ（０），Ｉ（４），Ｉ（８），Ｉ（１２）は、それぞれ、δ＝０°における測定光の光強度であることがわかる。そのため、上記の手順によって算出される各値は、δ＝０°におけるＳ０〜Ｓ３の値である。
これらの演算を、Ｉ（１），Ｉ（５），Ｉ（９），Ｉ（１３）、及び、Ｉ（２），Ｉ（６），Ｉ（１０），Ｉ（１４）、及び、Ｉ（３），Ｉ（７），Ｉ（１１），Ｉ（１５）に対して行うことで、δ＝９０°，１８０°，２７０°のそれぞれにおけるＳ０〜Ｓ３の各値を算出することができる。この演算結果を、次の表２に示す。
この表を整理すると、
のように書き表すことができる。
次に、表３の内容を式（１５）及び式（１６）に代入する。
例えば、式（１５）及び式（１６）においてｉ＝０とし、式（１５）に、δ＝０°とこれに対応するＳ０の値（表３におけるＳ００の値）、及び、δ＝９０°とこれに対応するＳ０の値（表３におけるＳ１０の値）を代入し、また、式（１６）に、δ＝１８０°とこれに対応するＳ０の値（表３におけるＳ２０の値）、及び、δ＝２７０°とこれに対応するＳ０の値（表３におけるＳ３０の値）を代入する。これにより、次に示す４式を導出することができる。
そして、式（２５）〜式（２８）を連立させれば、次式に示すように、ｍ００〜ｍ０３の各値を算出することができる。
同様の手順を、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３のそれぞれに対して行うと、ｍ１０〜ｍ１３，ｍ２０〜ｍ２３，ｍ３０〜ｍ３３の各値を算出することができる。この演算結果を、表４に示す。
以上の手順によって、試料１００の光学特性を表すミュラー行列の行列要素をすべて算出することができる。特に、この方法によると、演算が単純で、演算処理にかかる負荷が小さいため、高速の演算処理が可能になる。
なお、本発明は、計測装置を、必ずしもミュラー行列の１６個の行列要素をすべて算出するように構成されていなくてもよい。すなわち、計測装置１は、ミュラー行列の１６個の行列要素のうち、必要な要素のみを算出するように構成されていてもよい。
また、この具体例では、θ２＝０°，４５°、及び、θ３＝０°，４５°を例にとって説明した。しかし、本具体例で適用可能なθ２、θ３の値はこれに限られるものではない。例えば、２θ２が１８０度の整数倍又は９０度の奇数倍になるように第１の１／４波長板２６の主軸方位が設定されてなり、かつ、２θ３が１８０度の整数倍又は９０度の奇数倍になるように第２の１／４波長板３４の主軸方位が設定された光学系１０を利用して測定光の光強度情報を取得し、行列要素を算出する演算を行ってもよい。光学系１０がこの条件を満たす場合には、式（６）及び式（１１）を単純化することができるため、演算処理にかかる負担を小さくすることができる。
（５）産業上の利用可能性
以上に述べたように、本実施の形態に係る計測装置によると、測定対象である試料１００の光学特性を表すミュラー行列の１６個の行列要素を、簡易、簡便、かつ、迅速に算出することが可能になる。
そして、測定対象である試料１００の光学特性を表すミュラー行列の１６個の行列要素をすべて算出することで、試料１００の様々な光学特性（光学特性を示す物理量）を明らかにすることができる。以下、その具体例を示す。
５−１：デポラリゼーション
試料１００のデポラリゼーションは、
と表すことができる。
式（３３）を見ると、デポラリゼーションを算出するためには、ミュラー行列の１６個の行列要素がすべて必要であることがわかる。すなわち、本実施の形態に係る計測装置を利用すれば、試料１００のデポラリゼーションを、簡易かつ迅速に算出することが可能になる。
５−２：複屈折位相差及び主軸方位、並びに、二色性
複屈折位相差及び主軸方位、並びに、二色性を有する試料のミュラー行列は、
と書き表すことができる。
ここで、
である。
Ｐf，Ｐsは、それぞれ、進相軸及び遅相軸（f軸及びs軸）の主透過率である。また、φは、進相軸の方向（主軸方位）である。
式（３４）と式（３５）とから、複屈折位相差Δ、主軸方位φ、進相軸及び遅相軸の主透過率Ｐf，Ｐsは、
と表すことができる。
すなわち、試料１００のミュラー行列の行列要素を利用して、複屈折位相差及び主軸方位、並びに、二色性が算出することが可能になる。
（５−３）反射係数及びその位相差
１次散乱媒質における反射係数と位相差のミュラー行列Ｘsurfは、
と表すことができる。
ここで、ｒｐ，ｒs，σは、それぞれ、ｐ-偏光、ｓ-偏光における振幅反射係数、及び
、ｐ-偏光とｓ-偏光との位相差である。
これらを計算すれば、
を得ることができる。
すなわち、試料１００のミュラー行列の行列要素を利用すれば、ｐ-偏光、ｓ-偏光における振幅反射係数、及び、ｐ-偏光、ｓ-偏光の位相差を算出することができる。
なお、本発明に係る計測装置がこれらの光学特性要素（試料１００の光学特性を表す物理量）を算出する光学特性要素計測ユニットとして構成されている場合には、制御装置８０（演算処理部６０）で、これらの光学特性要素を算出する処理を行ってもよい。このとき、光学特性要素計測ユニットは、光学特性要素の各値を出力する装置として構成されてもよい。
（６）変形例
本発明は、上記の実施の形態に限られるものではなく、種々の変形例が可能である。ここでは、光強度情報及び光学素子の主軸方位から、試料１００のミュラー行列要素を算出する方法の変形例について説明する。
上述した式（１３）、式（１４）、及び、式（１５）、式（１６）は、次式のように一般化することができる。
本変形例では、このときのαを任意の角度に変化させて、最小二乗法による近似を用いて、ｘ０，ｘ１，ｘ２，ｘ３を算出する。以下、この手順について、式（４４）を例にとって説明する。
式（４４）において、αをＮ回変化させたものとし、誤差を含む実測値ｆ´ ａ（α）と、式（４４）の理論値ｆａ（α）を近似し、ｘ０，ｘ１，ｘ３を算出する。ここでは、最小二乗法により、
とおき、
を満たすａ０，ａ１，ａ２を求める。
式（４６）及び式（４７）から、次式を導出することができる。
式（４８）は、行列を用いると、
と表すことができ、逆行列を求めることによって、
が得られる。
この手順によると、サンプル（試料１００）の特性に合わせて、最も検出感度が高くなる位相変調量を選択することができるため、高精度の計測が可能になる。
（７）キャリブレーション
実際に装置で計測を行う場合、光学素子による偏光状態の変化や光軸調整時の誤差が生じる。そのため、上述の解析を行うだけでは、実験光学系に固有の誤差は補償されていない。そこで、実験光学系の有する複屈折等に起因する誤差を解消するために、キャリブレーションを行ってもよい。キャリブレーションを行うことで、精度の高い計測結果を得ることができる。
なお、本発明では、計測装置１に適用可能ないずれかのキャリブレーション手法を適用して、キャリブレーションを行ってもよい。
（８）計測結果
以下、本発明を適用した実施の形態に係る計測装置による計測結果を示す。
次に示す式（５１）〜式（５６）は、計測結果である測定対象のミュラー行列の行列式と、その理論値を示している。
ここで、式（５１）及び式（５２）は、サンプルがない状態で計測した計測値及び理論値である。また、式（５３）及び式（５４）は、サンプルとして偏光子（ポラロイド）を計測した計測値及びその理論値である。さらに、式（５５）及び式（５６）は、サンプルとして１／４波長板を計測した計測値及びその理論値である。それぞれの計測値と理論値とを対比すれば、この計測装置によって、概ね理論値と一致した結果を得ることができることがわかる。
なお、式（５１）〜式（５６）は、測定対象の一点（１つの受光素子に対応する領域）のミュラー行列を示している。これを面（複数の受光素子に対応する領域）に拡張すれば、測定対象の面における計測結果（ミュラー行列の分布状況）を得ることができる。
図７Ａ〜図９Ｃには、本発明を適用した実施の形態に係る計測装置を利用して、試料を２次元的に計測したときの計測結果を示す。なお、図７Ａ〜図７Ｃは、サンプルを挿入しない状態で計測を行ったときの計測結果であり、図８Ａ〜図８Ｃ及び図９Ａ〜図９Ｃは、それぞれ、サンプルとして方位が９０度の偏光子（ポラロイド）及び１／４波長板を計測したときの計測結果である。図７Ａ、図８Ａ、図９Ａでは、光強度を表すｍ００が１となるように他の要素を規格化し、各要素を、−１〜１を青〜赤のカラーバーで表示した。なお、それぞれの要素の画像の中心部が、サンプルである。また、図７Ｂ、図８Ｂ、図９Ｂは、図７Ａ、図８Ａ、図９Ａで示される計測結果を拡大し、黒〜白のカラーバーで表示した図である。そして、図７Ｃ、図８Ｃ、図９Ｃは、計測結果を、ミュラー行列要素の分布として示す図である。
この計測装置によると、図７Ａ〜図９Ｃに示すように、サンプルの所定の領域における行列要素を算出することができる。すなわち、本発明によると、広がりを有する測定対象を、測定面として計測することができる。また、本発明によると、図７Ａ、図８Ａ、図９Ａ、及び、図７Ｂ、図８Ｂ、図９Ｂに示すように、サンプルの所定の領域における行列要素の分布状況を、視覚的に表示することが可能になる。
なお、サンプルを挿入しない状態で計測したときの理論値、サンプルとして偏光子及び１／４波長板を挿入したときの計測結果は、それぞれ、式（５２）、式（５４）、式（５６）で表される。これらの式を図７Ａ〜図９Ｃと対比すると、計測結果が理論値とほぼ一致していることがわかる。すなわち、この計測装置によって、信頼性の高い計測を行うことが可能であることがわかる。
（９）最後に
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
例えば、光学系１０を構成する光学素子は、手動で、その主軸方位を変更可能に構成されていてもよい。この場合には、検出部によってその主軸方位情報を取得し、各種演算処理を行ってもよい。
また、光学系１０は、光源１２及び偏光子２２に変えて、直線偏光を出射する光源を利用してもよい。なお、当該光源は、直線偏光の変更方向を任意に変更可能な構成をなしていてもよい。
また、計測装置１では、光学系１０を構成する光学素子（１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６）を連続的に回転させながら、光強度情報を取得してもよい。これによると、短時間で効率よく光強度情報を取得することができるため、試料１００のリアルタイムな計測が可能になる。
ただし、本実施の形態に係る光学特性計測装置によると、先に説明したように、ある入射偏光（δ，２θ２に設定された第１の位相変調部２５によって変調された光）に対して、第２の位相変調部３５の設定（δ´，２θ３）を変化させて光強度情報を取得する必要がある。そのため、連続的に回転する光学系を利用してデータを取得するためには、δ，２θ２，δ´，２θ３を、それぞれ異なる周期で回転させる必要がある。すなわち、δ，２θ２，δ´，２θ３が異なる周期で変化するように光学素子（１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６）を回転させれば、連続的に回転する光学素子を利用して必要なデータをすべて取得することが可能になる。例えば、光学素子（１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６）を、互いに素な回転比で回転させれば、必要なデータをすべて取得することが可能になる。
ところで、測定光の光強度を表す式である式（１１）は、次式のように変形することができる。
ただし、
である。 そして、δ´を複数回変化させることで、Ｓ０，Ｓ１２，Ｓ３が得られ、さらに２θ３を変化させることで、Ｓ１，Ｓ２が得られる。
また、式（６）の各行は、
とすることができる。
ただし、
であり、ｉ＝０，１，２，３である。
そして、δを複数回変化させることで、ｍｉ０，Ｍｉ１２，ｍｉ３が得られ、さらに２θ２を変化させることで、ｍｉ１，ｍｉ２が得られる。
表５には、δ，２θ２，δ´，２θ３が異なる周期で連続的に変化する場合の具体例を示す。なお、２θ２及び２θ３は素子の主軸方位を表すので、１８０度で１周期とした。
また、このときの各素子の回転角を表６に示す。
表６に示すように各素子を回転させることによって、表５に示す位相変化を得ることができる。そして、これによって得られる光強度情報及び対応する主軸方位情報に基づいて、測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を算出することができる。 光学素子が連続的に回転する光学系を利用して光強度情報を取得する場合、光学素子の回転と静止を繰り返す場合に較べて、必要なデータを短時間で取得することが可能になるため、さらに高速の光学特性計測が可能になる。
なお、光学素子（１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６）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、これらの光学素子を、同期させる必要がある。
上述した例によれば、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６の主軸方位が同時に０°となるように、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６を同期させると、解析に適した光強度情報を取得することが可能になる。
これらの同期制御を行う方法は特に限られるものではない。例えば、第１の１／４波長板２６の主軸方位を基準にして同期制御を行ってもよい。以下、同期制御の手順について説明する。はじめに、１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６を所定の回転比で回転さる。そして、第１及び第２の駆動・検出部７２，７４を利用して、第１の１／４波長板２６の主軸方位θ２が０°となったとき（偏光子２２の主軸方位と一致したとき）の、１／２波長板２４の主軸方位θ１を検出する。そして、第１の駆動・検出部７２（アクチュエータ）に検出された差分に対応する電圧を与えることで、１／２波長板２４の主軸方位θ１をずらし、１／２波長板２４を、第１の１／４波長板２６に同期させる。同様に、第２の１／４波長板３４及び検光子３６を、第１の１／４波長板２６に同期させてもよい。
この同期制御により、光学素子（１／２波長板２４、第１及び第２の１／４波長板２６，３４、並びに、検光子３６）が連続的に回転する光学系によって、必要なデータを取得することが可能になる。
本発明によると、様々な物質（光学材料となる結晶、高分子材料など）の物性検査の他、顕微鏡装置に組み込むことで、複屈折性だけでなく、旋光性や吸収性を持つ生体試料の観察に応用が可能である。また、高速な計測を行えば、力学的な付加や試薬を与えることによる試料の変化を様々なパラメータからモニタリングすることが可能になる。

Claims (17)

  1. 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、
    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で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、前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つ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、１／２波長板、第１及び第２の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１／２波長板、及び、前記第１の１／４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１／４波長板及び前記第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１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子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１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子の主軸方位の少なくとも１つが異なる第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の条件に設定された前記光学系で得られる第１〜第Ｎ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、
    前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を変数として含む、前記少なくとも５個の光学素子の主軸方位を反映した前記第１〜第Ｎの測定光の光強度の理論式と、前記第１〜第Ｎの測定光の光強度情報とに基づいて、前記行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う光学特性計測装置。
  2. 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、前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つ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、１／２波長板、第１及び第２の１／４波長板を含み、かつ、少なくとも、前記１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子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定の波長の光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記第１の１／４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１／４波長板及び前記第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１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子の主軸方位の少なくとも１つが異なる第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の条件に設定された前記光学系で得られる第１〜第Ｎ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、
    前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を変数として含む、前記少なくとも５個の光学素子の主軸方位を反映した前記第１〜第Ｎの測定光の光強度の理論式と、前記第１〜第Ｎの測定光の光強度情報とに基づいて、前記行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う光学特性計測装置。
  3. 請求項１又は請求項２記載の光学特性計測装置において、
    前記１／２波長板及び前記第１の１／４波長板は第１の位相変調部を構成し、前記第２の１／４波長板及び前記第２の偏光子は第２の位相変調部を構成してなり、
    前記第１〜第Ｎの条件に設定された光学系とは、それぞれ、
    前記第１の位相変調部が、前記１／２波長板及び前記第１の１／４波長板の主軸方位の少なくとも一方が異なる第１〜第Ｌ（Ｌは２以上の整数）の条件に設定され、かつ、
    前記第２の位相変調部が、前記第２の１／４波長板及び前記第２の偏光子の主軸方位の少なくとも一方が異なる第１〜第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の条件に設定された光学系であり、
    Ｎ＝Ｌ×Ｍを満たす光学特性計測装置。
  4. 請求項３記載の光学特性計測装置において、
    前記Ｌ及びＭは、それぞれ、４以上の整数である光学特性計測装置。
  5. 請求項３又は請求項４記載の光学特性計測装置において、
    Ｌ＝Ｍである光学特性計測装置。
  6. 請求項１から請求項５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１／４波長板の主軸方位を、それぞれ、θ２，θ３とすると、
    前記第１〜第Ｎの条件に設定された光学系とは、それぞれ、
    ２θ２が１８０度の整数倍又は９０度の奇数倍であり、かつ、
    ２θ３が１８０度の整数倍又は９０度の奇数倍である光学特性計測装置。
  7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学特性計測装置において、
    前記演算処理部で、前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素をすべて算出する光学特性計測装置。
  8. 請求項１から請求項７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１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記検光子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。
  9. 請求項８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１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記検光子を、互いに素な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。
  10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の光学特性計測装置において、
    前記１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子を駆動させる第１〜第４のアクチュエータと、
    前記１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子の主軸方位を検出する第１〜第４の検出部と、
    前記第１〜第４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〜第４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。
  11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光学特性計測装置を含む光学特性計測ユニット。
  12. 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、前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つ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、１／２波長板、第１及び第２の１／４波長板を含み、かつ、少なくとも、前記１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子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定の波長の光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記第１の１／４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１／４波長板及び前記第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１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記第２の偏光子の主軸方位の少なくとも１つが異なる第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数）の条件に設定された前記光学系で得られる第１〜第Ｎ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、
    前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を変数として含む、前記少なくとも５個の光学素子の主軸方位を反映した前記第１〜第Ｎの測定光の光強度の理論式と、前記第１〜第Ｎの測定光の光強度情報とに基づいて、前記行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う光学特性計測方法。
  13. 請求項１２記載の光学特性計測方法において、
    前記１／２波長板及び前記第１の１／４波長板は第１の位相変調部を構成し、前記第２の１／４波長板及び前記第２の偏光子は第２の位相変調部を構成してなり、
    前記第１〜第Ｎの条件に設定された光学系とは、それぞれ、
    前記第１の位相変調部が、前記１／２波長板及び前記第１の１／４波長板の主軸方位の少なくとも一方が異なる第１〜第Ｌ（Ｌは２以上の整数）の条件に設定され、かつ、
    前記第２の位相変調部が、前記第２の１／４波長板及び前記第２の偏光子の主軸方位の少なくとも一方が異なる第１〜第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の条件に設定された光学系であり、
    Ｎ＝Ｌ×Ｍを満たす光学特性計測方法。
  14. 請求項１２又は請求項１３記載の光学特性計測方法において、
    前記第１及び第２の１／４波長板の主軸方位を、それぞれ、θ２，θ３とすると、
    前記第１〜第Ｎの条件に設定された光学系とは、それぞれ、
    ２θ２が１８０度の整数倍又は９０度の奇数倍であり、かつ、
    ２θ３が１８０度の整数倍又は９０度の奇数倍である光学特性計測方法。
  15. 請求項１２から請求項１４のいずれかに記載の光学特性計測方法において、
    前記演算処理手順で、前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素をすべて算出する光学特性計測方法。
  16. 請求項１２から請求項１５のいずれかに記載の光学特性計測方法において、
    前記光強度情報取得手順では、
    前記１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記検光子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方法。
  17. 請求項１６記載の光学特性計測方法において、
    前記光強度情報取得手順では、
    前記１／２波長板、前記第１及び第２の１／４波長板、並びに、前記検光子が互いに素な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方法。
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