特許 7460080 光学特性評価装置および光学特性評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-25

(45)【発行日】2024-04-02

(54)【発明の名称】光学特性評価装置および光学特性評価方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/21 20060101AFI20240326BHJP

【ＦＩ】

G01N21/21 Z

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2020175379

(22)【出願日】2020-10-19

(65)【公開番号】P2022066826

(43)【公開日】2022-05-02

【審査請求日】2023-04-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100110582

【弁理士】

【氏名又は名称】柴田 昌聰

(72)【発明者】

【氏名】野本 佳朗

(72)【発明者】

【氏名】種村 拓夫

【審査官】小野寺 麻美子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１０９５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２７２２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５０５８６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０１３５１７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７ － Ｇ０１Ｎ ２１／６１

Ｇ０１Ｊ ３／００ － Ｇ０１Ｊ ４／０４

Ｇ０１Ｊ ７／００ － Ｇ０１Ｊ ９／０４

Ｇ０２Ｂ １９／００ － Ｇ０２Ｂ ２１／００

Ｇ０２Ｂ ２１／０６ － Ｇ０２Ｂ ２１／３６

Ｇ０２Ｂ ２７／００ － Ｇ０２Ｂ ２７／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

評価対象物の光学特性を評価する装置であって、
光を出力する光源と、
前記光源から出力された光を第１方位の直線偏光成分と第２方位の直線偏光成分とに偏光分離して、前記光源から出力された光のうち第２方位の直線偏光成分として出力された光を前記評価対象物の光学特性の評価に利用することなく、第１方位の直線偏光成分として出力された光を前記評価対象物へ出力する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタと前記評価対象物との間の光路上に設けられ、前記偏光ビームスプリッタから第１方位の直線偏光成分として出力された光の偏光状態を調整して当該調整後の光を前記評価対象物へ照射し、前記評価対象物への光照射により生じた反射光の偏光状態を調整して当該調整後の光を前記偏光ビームスプリッタへ出力する偏光調整部と、
前記評価対象物から前記偏光調整部を経て前記偏光ビームスプリッタに到達した光のうち前記偏光ビームスプリッタにより偏光分離されて出力された第１方位の直線偏光成分を受光して検出する第１検出部と、
前記評価対象物から前記偏光調整部を経て前記偏光ビームスプリッタに到達した光のうち前記偏光ビームスプリッタにより偏光分離されて出力された第２方位の直線偏光成分を受光して検出する第２検出部と、
前記第１検出部または前記第２検出部による検出結果に基づいて、前記評価対象物の反射率および位相特性を解析する解析部と、
を備える光学特性評価装置。

【請求項2】

前記偏光調整部は、前記偏光ビームスプリッタから第１方位の直線偏光成分として出力された光を入力する４分の１波長板と、前記４分の１波長板から出力された光を入力する２分の１波長板と、を含む、
請求項１に記載の光学特性評価装置。

【請求項3】

前記解析部は、前記評価対象物に照射される光が前記偏光調整部により特定方位の直線偏光とされたときの前記第１検出部による検出結果に基づいて、前記評価対象物に前記特定方位の直線偏光が入射したときの反射率を求める、
請求項１または２に記載の光学特性評価装置。

【請求項4】

前記解析部は、前記評価対象物に照射される光が前記偏光調整部により前記特定方位の直線偏光と異なる偏光状態とされたときの前記第１検出部または前記第２検出部による検出結果と、前記偏光ビームスプリッタから第１方位の直線偏光として出力された光が前記評価対象物で反射されて前記偏光ビームスプリッタに戻ってくるまでの光学系を表すジョーンズ行列とに基づいて、前記評価対象物の反射時の位相特性を求める、
請求項３に記載の光学特性評価装置。

【請求項5】

前記光源は広帯域光を出力する、
請求項１～４の何れか１項に記載の光学特性評価装置。

【請求項6】

前記光源は出力波長が可変である、
請求項１～４の何れか１項に記載の光学特性評価装置。

【請求項7】

第１端子，第２端子および第３端子を有し、前記光源から出力された光を前記第１端子に入力して、その光を前記第２端子から前記偏光ビームスプリッタへ出力し、前記偏光ビームスプリッタから出力された光を前記第２端子に入力して、その光を前記第３端子から前記第１検出部へ出力する光サーキュレータを更に備える、
請求項１～６の何れか１項に記載の光学特性評価装置。

【請求項8】

前記光源と前記光サーキュレータの前記第１端子との間に設けられ、前記光源から出力された光を前記第１端子へ導光する第１光ファイバと、
前記光サーキュレータの前記第２端子に一端が光学的に接続され、ファイバコリメータが他端に設けられ、前記第２端子から出力された光を導光して前記ファイバコリメータから前記偏光ビームスプリッタへ出力し、前記偏光ビームスプリッタから前記ファイバコリメータに入力された光を前記第２端子へ導光する第２光ファイバと、
前記光サーキュレータの前記第３端子と前記第１検出部との間に設けられ、前記第３端子から出力された光を前記第１検出部へ導光する第３光ファイバと、
を更に備える請求項７に記載の光学特性評価装置。

【請求項9】

前記第２検出部に一端が光学的に接続され、ファイバコリメータが他端に設けられ、前記偏光ビームスプリッタから前記ファイバコリメータに入力された光を前記第２検出部へ導光する第４光ファイバを更に備える、
請求項１～８の何れか１項に記載の光学特性評価装置。

【請求項10】

前記偏光調整部は前記評価対象物へ光を垂直入射させる、
請求項１～９の何れか１項に記載の光学特性評価装置。

【請求項11】

評価対象物の光学特性を評価する方法であって、
光源から出力された光を偏光ビームスプリッタにより第１方位の直線偏光成分と第２方位の直線偏光成分とに偏光分離して、前記光源から出力された光のうち第２方位の直線偏光成分として出力された光を前記評価対象物の光学特性の評価に利用することなく、第１方位の直線偏光成分として出力された光を前記評価対象物へ出力し、
前記偏光ビームスプリッタと前記評価対象物との間の光路上に設けられた偏光調整部により、前記偏光ビームスプリッタから第１方位の直線偏光成分として出力された光の偏光状態を調整して当該調整後の光を前記評価対象物へ照射し、前記評価対象物への光照射により生じた反射光の偏光状態を調整して当該調整後の光を前記偏光ビームスプリッタへ出力し、
前記評価対象物から前記偏光調整部を経て前記偏光ビームスプリッタに到達した光のうち前記偏光ビームスプリッタにより偏光分離されて出力された第１方位の直線偏光成分を第１検出部により受光して検出し、
前記評価対象物から前記偏光調整部を経て前記偏光ビームスプリッタに到達した光のうち前記偏光ビームスプリッタにより偏光分離されて出力された第２方位の直線偏光成分を第２検出部により受光して検出し、
前記第１検出部または前記第２検出部による検出結果に基づいて、前記評価対象物の反射率および位相特性を解析する、
光学特性評価方法。

【請求項12】

前記偏光調整部は、前記偏光ビームスプリッタから第１方位の直線偏光成分として出力された光を入力する４分の１波長板と、前記４分の１波長板から出力された光を入力する２分の１波長板と、を含む、
請求項１１に記載の光学特性評価方法。

【請求項13】

前記評価対象物に照射される光が前記偏光調整部により特定方位の直線偏光とされたときの前記第１検出部による検出結果に基づいて、前記評価対象物に前記特定方位の直線偏光が入射したときの反射率を求める、
請求項１１または１２に記載の光学特性評価方法。

【請求項14】

前記評価対象物に照射される光が前記偏光調整部により前記特定方位の直線偏光と異なる偏光状態とされたときの前記第１検出部または前記第２検出部による検出結果と、前記偏光ビームスプリッタから第１方位の直線偏光として出力された光が前記評価対象物で反射されて前記偏光ビームスプリッタに戻ってくるまでの光学系を表すジョーンズ行列とに基づいて、前記評価対象物の反射時の位相特性を求める、
請求項１３に記載の光学特性評価方法。

【請求項15】

前記光源は広帯域光を出力する、
請求項１１～１４の何れか１項に記載の光学特性評価方法。

【請求項16】

前記光源は出力波長が可変である、
請求項１１～１４の何れか１項に記載の光学特性評価方法。

【請求項17】

第１端子，第２端子および第３端子を有する光サーキュレータにより、前記光源から出力された光を前記第１端子に入力して、その光を前記第２端子から前記偏光ビームスプリッタへ出力し、前記偏光ビームスプリッタから出力された光を前記第２端子に入力して、その光を前記第３端子から前記第１検出部へ出力する、
請求項１１～１６の何れか１項に記載の光学特性評価方法。

【請求項18】

前記光源と前記光サーキュレータの前記第１端子との間に設けられた第１光ファイバにより、前記光源から出力された光を前記第１端子へ導光し、
前記光サーキュレータの前記第２端子に一端が光学的に接続されファイバコリメータが他端に設けられた第２光ファイバにより、前記第２端子から出力された光を導光して前記ファイバコリメータから前記偏光ビームスプリッタへ出力し、前記偏光ビームスプリッタから前記ファイバコリメータに入力された光を前記第２端子へ導光し、
前記光サーキュレータの前記第３端子と前記第１検出部との間に設けられた第３光ファイバにより、前記第３端子から出力された光を前記第１検出部へ導光する、
請求項１７に記載の光学特性評価方法。

【請求項19】

前記第２検出部に一端が光学的に接続されファイバコリメータが他端に設けられた第４光ファイバにより、前記偏光ビームスプリッタから前記ファイバコリメータに入力された光を前記第２検出部へ導光する、
請求項１１～１８の何れか１項に記載の光学特性評価方法。

【請求項20】

前記偏光調整部により前記評価対象物へ光を垂直入射させる、
請求項１１～１９の何れか１項に記載の光学特性評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学特性評価装置および光学特性評価方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年の半導体製造装置を用いた微細加工技術の進展に伴い、波長より小さい微細構造を有する構造体を作製することが可能になってきた。この微細構造を用いることにより、自然界には存在しない特殊な光学特性を有する人工物質（これはメタマテリアルまたはメタサーフェスと呼ばれる場合がある）を作製することができ、また、この人工物質の特殊な光学特性を利用したデバイスを作製することができる。これらの研究が盛んに行われるようになり、実用化も進んできている。更に、非常に薄い金属を微細構造に取り込みプラズモン効果を利用することで特殊な光学特性を得ることを利用したデバイスを実現することができ、このようなデバイスも多く報告されるようになってきた。

【0003】

これらの特殊人工物質の多くは、構造に起因する光学的異方性を有している。人工物質のサイズが非常に小さいことが一因で、人工物質の光学特性を評価する装置は、非常に複雑で、高額である。異方性材料としては、このような特殊人工物質の他に、液晶や非線形光学材料なども知られている。

【0004】

光学的な異方性を有する対象物の光学特性を評価する装置として、分光エリプソメータが知られている。この装置は、評価対象物のｓ偏光およびｐ偏光による反射率の違いを利用することから、両者の比が大きくなる斜入射での測定が必要となり、その結果、入射光および反射光それぞれ光路が異なり、装置が大掛かりになる。また、評価対象物が微小である場合には、複雑な光学系を必要とする。

【0005】

非特許文献１に記載された技術は、評価対象物に光を垂直入射させることができることから、この点では分光エリプソメータより好ましい。非特許文献１に記載された技術は、評価対象物の反射率を求める際には偏光子および２分の１波長板を用い、評価対象物の反射時の位相特性を求める際には４分の１波長板および２分の１波長板を用いる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【文献】Yu Horie, "Controlling theFlow of Light Using High-Contrast Metastructures," California Institute ofTechnology 博士論文 (2017).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

非特許文献１に記載された技術は、評価対象物の反射率測定時と位相特性測定時とで光路上に挿入する光学素子を交換する必要があることから、その光学素子の交換や光学系の調整に時間を要し、測定が容易ではない。

【0008】

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、評価対象物の光学特性を簡易な構成で容易に評価することができる装置および方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の光学特性評価装置は、(1) 光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を第１方位の直線偏光成分と第２方位の直線偏光成分とに偏光分離する偏光ビームスプリッタと、(3) 偏光ビームスプリッタと評価対象物との間の光路上に設けられ、偏光ビームスプリッタから第１方位の直線偏光成分として出力された光の偏光状態を調整して当該調整後の光を評価対象物へ照射し、評価対象物への光照射により生じた反射光の偏光状態を調整して当該調整後の光を偏光ビームスプリッタへ出力する偏光調整部と、(4) 評価対象物から偏光調整部を経て偏光ビームスプリッタに到達した光のうち偏光ビームスプリッタにより偏光分離されて出力された第１方位の直線偏光成分を受光して検出する第１検出部と、(5) 評価対象物から偏光調整部を経て偏光ビームスプリッタに到達した光のうち偏光ビームスプリッタにより偏光分離されて出力された第２方位の直線偏光成分を受光して検出する第２検出部と、(6) 第１検出部または第２検出部による検出結果に基づいて、評価対象物の反射率および位相特性を解析する解析部と、を備える。

【0010】

本発明の一側面において、偏光調整部は、偏光ビームスプリッタから第１方位の直線偏光成分として出力された光を入力する４分の１波長板と、４分の１波長板から出力された光を入力する２分の１波長板と、を含むのが好適である。

【0011】

本発明の一側面において、解析部は、評価対象物に照射される光が偏光調整部により特定方位の直線偏光とされたときの第１検出部による検出結果に基づいて、評価対象物に特定方位の直線偏光が入射したときの反射率を求めるのが好適である。解析部は、評価対象物に照射される光が偏光調整部により前記特定方位の直線偏光と異なる偏光状態とされたときの第１検出部または第２検出部による検出結果と、偏光ビームスプリッタから第１方位の直線偏光として出力された光が評価対象物で反射されて偏光ビームスプリッタに戻ってくるまでの光学系を表すジョーンズ行列とに基づいて、評価対象物の反射時の位相特性を求めるのが好適である。

【0012】

本発明の一側面において、光源は、広帯域光を出力するものであってもよいし、出力波長が可変であるものであってもよい。

【0013】

本発明の一側面において、光学特性評価装置は、第１端子，第２端子および第３端子を有し、光源から出力された光を第１端子に入力して、その光を第２端子から偏光ビームスプリッタへ出力し、偏光ビームスプリッタから出力された光を第２端子に入力して、その光を第３端子から第１検出部へ出力する光サーキュレータを更に備えるのが好適である。

【0014】

本発明の一側面において、光学特性評価装置は、(a) 光源と光サーキュレータの第１端子との間に設けられ、光源から出力された光を第１端子へ導光する第１光ファイバと、(b) 光サーキュレータの第２端子に一端が光学的に接続され、ファイバコリメータが他端に設けられ、第２端子から出力された光を導光してファイバコリメータから偏光ビームスプリッタへ出力し、偏光ビームスプリッタからファイバコリメータに入力された光を第２端子へ導光する第２光ファイバと、(c) 光サーキュレータの第３端子と第１検出部との間に設けられ、第３端子から出力された光を第１検出部へ導光する第３光ファイバと、を更に備えるのが好適である。光学特性評価装置は、第２検出部に一端が光学的に接続され、ファイバコリメータが他端に設けられ、偏光ビームスプリッタからファイバコリメータに入力された光を第２検出部へ導光する第４光ファイバを更に備えるのが好適である。偏光調整部は評価対象物へ光を垂直入射させるのが好適である。

【0015】

本発明の光学特性評価方法は、(1) 光源から出力された光を偏光ビームスプリッタにより第１方位の直線偏光成分と第２方位の直線偏光成分とに偏光分離し、(2) 偏光ビームスプリッタと評価対象物との間の光路上に設けられた偏光調整部により、偏光ビームスプリッタから第１方位の直線偏光成分として出力された光の偏光状態を調整して当該調整後の光を評価対象物へ照射し、評価対象物への光照射により生じた反射光の偏光状態を調整して当該調整後の光を偏光ビームスプリッタへ出力し、(3) 評価対象物から偏光調整部を経て偏光ビームスプリッタに到達した光のうち偏光ビームスプリッタにより偏光分離されて出力された第１方位の直線偏光成分を第１検出部により受光して検出し、(4) 評価対象物から偏光調整部を経て偏光ビームスプリッタに到達した光のうち偏光ビームスプリッタにより偏光分離されて出力された第２方位の直線偏光成分を第２検出部により受光して検出し、(5) 第１検出部または第２検出部による検出結果に基づいて、評価対象物の反射率および位相特性を解析する。

【0016】

本発明の一側面において、偏光調整部は、偏光ビームスプリッタから第１方位の直線偏光成分として出力された光を入力する４分の１波長板と、４分の１波長板から出力された光を入力する２分の１波長板と、を含むのが好適である。

【0017】

本発明の一側面において、光学特性評価方法は、評価対象物に照射される光が偏光調整部により特定方位の直線偏光とされたときの第１検出部による検出結果に基づいて、評価対象物に特定方位の直線偏光が入射したときの反射率を求めるのが好適である。光学特性評価方法は、評価対象物に照射される光が偏光調整部により前記特定方位の直線偏光と異なる偏光状態とされたときの第１検出部または第２検出部による検出結果と、偏光ビームスプリッタから第１方位の直線偏光として出力された光が評価対象物で反射されて偏光ビームスプリッタに戻ってくるまでの光学系を表すジョーンズ行列とに基づいて、評価対象物の反射時の位相特性を求めるのが好適である。

【0018】

本発明の一側面において、光源は、広帯域光を出力するものであってもよいし、出力波長が可変であるものであってもよい。

【0019】

本発明の一側面において、光学特性評価方法は、第１端子，第２端子および第３端子を有する光サーキュレータにより、光源から出力された光を第１端子に入力して、その光を第２端子から偏光ビームスプリッタへ出力し、偏光ビームスプリッタから出力された光を第２端子に入力して、その光を第３端子から第１検出部へ出力するのが好適である。

【0020】

本発明の一側面において、光学特性評価方法は、(a) 光源と光サーキュレータの第１端子との間に設けられた第１光ファイバにより、光源から出力された光を第１端子へ導光し、(b) 光サーキュレータの第２端子に一端が光学的に接続されファイバコリメータが他端に設けられた第２光ファイバにより、第２端子から出力された光を導光してファイバコリメータから偏光ビームスプリッタへ出力し、偏光ビームスプリッタからファイバコリメータに入力された光を第２端子へ導光し、(c) 光サーキュレータの第３端子と第１検出部との間に設けられた第３光ファイバにより、第３端子から出力された光を第１検出部へ導光するのが好適である。第２検出部に一端が光学的に接続されファイバコリメータが他端に設けられた第４光ファイバにより、偏光ビームスプリッタからファイバコリメータに入力された光を第２検出部へ導光するのが好適である。偏光調整部により評価対象物へ光を垂直入射させるのが好適である。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、評価対象物の光学特性を簡易な構成で容易に評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、光学特性評価装置１の構成を示す図である。

【図2】図２は、α＝β＝０°としたときの第１検出部６０および第２検出部７０それぞれによる検出値の波長依存性の一例を示すグラフである。

【図3】図３は、α＝０°，β＝４５°としたときの第１検出部６０および第２検出部７０それぞれによる検出値の波長依存性の一例を示すグラフである。

【図4】図４は、α＝３０°，β＝２２.５°としたときの第１検出部６０および第２検出部７０それぞれによる検出値の波長依存性の一例を示すグラフである。

【図5】図５は、Δの初期値および解析値それぞれの波長依存性の一例を示すグラフである。

【図6】図６は、Δの解析値および参考値それぞれの波長依存性を対比して示すグラフである。

【図7】図７は、光学特性評価装置２の構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0024】

図１は、光学特性評価装置１の構成を示す図である。光学特性評価装置１は、評価対象物Ｓの光学特性（反射率、位相特性）を評価するものであって、光源１０、光サーキュレータ２０、偏光ビームスプリッタ３０、偏光調整部４０、対物レンズ５０、第１検出部６０、第２検出部７０および解析部８０を備える。

【0025】

光源１０は、評価対象物Ｓに照射すべき光を出力する。光源１０は、広帯域光を出力するものであってもよいし、出力波長が可変であるものであってもよい。

【0026】

光サーキュレータ２０は、第１端子２１，第２端子２２および第３端子２３を有する。第１端子２１は、光源１０と光学的に接続されている。第２端子２２は、偏光ビームスプリッタ３０と光学的に接続されている。第３端子２３は、第１検出部６０と光学的に接続されている。光サーキュレータ２０は、光源１０から到達した光を第１端子２１に入力し、その光を第２端子２２から偏光ビームスプリッタ３０へ出力する。光サーキュレータ２０は、偏光ビームスプリッタ３０から到達した光を第２端子２２に入力し、その光を第３端子２３から第１検出部６０へ出力する。

【0027】

偏光ビームスプリッタ３０は、光源１０から出力されて光サーキュレータ２０を経て到達した光を第１方位の直線偏光成分（ｓ偏光成分）と第２方位の直線偏光成分（ｐ偏光成分）とに偏光分離して、そのうちの第１方位の直線偏光成分（ｓ偏光成分）を偏光調整部４０へ出力する。また、偏光ビームスプリッタ３０は、偏光調整部４０から到達した光を第１方位の直線偏光成分（ｓ偏光成分）と第２方位の直線偏光成分（ｐ偏光成分）とに偏光分離して、そのうちの第１方位の直線偏光成分（ｓ偏光成分）を光サーキュレータ２０へ出力し、第２方位の直線偏光成分（ｐ偏光成分）を第２検出部７０へ出力する。

【0028】

偏光調整部４０は、偏光ビームスプリッタ３０と評価対象物Ｓとの間の光路上に設けられている。偏光調整部４０は、偏光ビームスプリッタ３０からｓ偏光成分として出力された光の偏光状態を調整して当該調整後の光を評価対象物Ｓへ照射する。また、偏光調整部４０は、評価対象物Ｓへの光照射により生じた反射光の偏光状態を調整して当該調整後の光を偏光ビームスプリッタ３０へ出力する。偏光調整部４０による光の偏光状態の調整は、偏光状態を変更せず維持する場合を含む。偏光調整部４０は、評価対象物Ｓへ光を垂直入射させるのが好適である。

【0029】

偏光調整部４０は、偏光ビームスプリッタ３０からｓ偏光成分として出力された光を入力する４分の１波長板４１と、この４分の１波長板から出力された光を入力する２分の１波長板４２と、を含む構成とすることができる。４分の１波長板４１および２分の１波長板４２それぞれの光学軸の方位は可変である。４分の１波長板４１および２分の１波長板４２それぞれの光学軸の方位を調整することにより、４分の１波長板４１および２分の１波長板４２を通過する光の偏光状態を調整することができる。

【0030】

対物レンズ５０は、偏光調整部４０により偏光状態が調整された光を評価対象物Ｓに集光照射する。また、対物レンズ５０は、評価対象物Ｓへの光照射により生じた反射光を偏光調整部４０へ導く。

【0031】

第１検出部６０は、評価対象物Ｓから偏光調整部４０を経て偏光ビームスプリッタ３０に到達した光のうち、偏光ビームスプリッタ３０により偏光分離されて出力された第１方位の直線偏光成分（ｓ偏光成分）を受光して検出する。第２検出部７０は、評価対象物Ｓから偏光調整部４０を経て偏光ビームスプリッタ３０に到達した光のうち、偏光ビームスプリッタ３０により偏光分離されて出力された第２方位の直線偏光成分（ｐ偏光成分）を受光して検出する。光源１０が広帯域光を出力するものである場合、第１検出部６０および第２検出部７０それぞれは、受光した光の強度スペクトルを検出する。

【0032】

光源１０と光サーキュレータ２０の第１端子２１との間に、光源１０から出力された光を第１端子２１へ導光する第１光ファイバ９１が設けられているのが好適である。光サーキュレータ２０の第２端子２２に一端が光学的に接続された第２光ファイバ９２が設けられているのが好適である。この第２光ファイバ９２は、他端にファイバコリメータ９５が設けられ、第２端子２２から出力された光を導光してファイバコリメータ９５から偏光ビームスプリッタ３０へ出力し、偏光ビームスプリッタ３０からファイバコリメータ９５に入力された光を第２端子２２へ導光する。光サーキュレータ２０の第３端子２３と第１検出部６０との間に、第３端子２３から出力された光を第１検出部６０へ導光する第３光ファイバ９３が設けられているのが好適である。また、第２検出部７０に一端が光学的に接続された第４光ファイバ９４が設けられているのが好適である。この第４光ファイバ９４は、他端にファイバコリメータ９６が設けられ、偏光ビームスプリッタ３０からファイバコリメータ９６に入力された光を第２検出部７０へ導光する。

【0033】

解析部８０は、第１検出部６０または第２検出部７０による検出結果に基づいて、評価対象物Ｓの光学特性（反射率、位相特性）を解析する。

【0034】

解析部８０は、コンピュータであってよい。解析部８０は、第１検出部６０または第２検出部７０による検出結果や解析条件などを入力する入力部と、それらの検出結果，解析条件，解析結果および解析プログラムなどを記憶する記憶部（ハードディスクドライブ、フラッシュメモリ、ＲＡＭおよびＲＯＭ等）、それらの検出結果に基づいて所要の解析を行う演算部（ＣＰＵ，ＤＳＰおよびＦＰＧＡ等）と、解析の結果などを表示する表示部（例えば液晶ディスプレイ等）と、を含む。

【0035】

解析部８０は、評価対象物Ｓに照射される光が偏光調整部４０により特定方位の直線偏光とされたときの第１検出部６０による検出結果に基づいて、評価対象物Ｓに特定方位の直線偏光が入射したときの反射率を求めることができる。

【0036】

解析部８０は、評価対象物Ｓに照射される光が偏光調整部４０により前記特定方位の直線偏光と異なる偏光状態とされたときの第１検出部６０または第２検出部７０による検出結果と、偏光ビームスプリッタ３０から第１方位の直線偏光として出力された光が評価対象物Ｓで反射されて偏光ビームスプリッタ３０に戻ってくるまでの光学系を表すジョーンズ行列とに基づいて、評価対象物Ｓの反射時の位相特性を求めることができる。

【0037】

偏光ビームスプリッタ３０から偏光調整部４０へ出力される光のジョーンズベクトルＪ_０は下記（１）式で表わされる。偏光調整部４０から偏光ビームスプリッタ３０に到達する光のジョーンズベクトルＪ_１は下記（２）式で表わされる。

【0038】

【数1】

【0039】

【数2】

【0040】

偏光ビームスプリッタ３０から出力される光の偏光方位に対して４分の１波長板４１の光学軸が角度αだけ傾いているとすると、４分の１波長板４１のジョーンズ行列は、偏光ビームスプリッタ３０から評価対象物Ｓへ向かう光に対しては下記（３）式で表され、評価対象物Ｓから偏光ビームスプリッタ３０へ向かう光に対しては下記（４）式で表される。

【0041】

【数3】

【0042】

【数4】

【0043】

偏光ビームスプリッタ３０から出力される光の偏光方位に対して２分の１波長板４２の光学軸が角度βだけ傾いているとすると、２分の１波長板４２のジョーンズ行列は、偏光ビームスプリッタ３０から評価対象物Ｓへ向かう光に対しては下記（５）式で表され、評価対象物Ｓから偏光ビームスプリッタ３０へ向かう光に対しては下記（６）式で表される。

【0044】

【数5】

【0045】

【数6】

【0046】

評価対象物Ｓのジョーンズ行列Ｊ_sampleは下記（７）式で表される。以上のジョーンズ行列を用いると、偏光調整部４０から偏光ビームスプリッタ３０に到達する光のジョーンズベクトルＪ_１は、下記（８）式で表される。第１検出部６０による検出値は、ジョーンズベクトルＪ_１中のＥ_ｓの絶対値の２乗に相当する。第２検出部７０による検出値は、ジョーンズベクトルＪ_１中のＥ_ｐの絶対値の２乗に相当する。

【0047】

【数7】

【0048】

【数8】

【0049】

評価対象物Ｓのジョーンズ行列Ｊ_sample（上記（７）式）に示されるとおり、評価対象物Ｓの光学特性を評価するには、ｓ偏光の反射率|ｒ_ｓ|^２、ｐ偏光の反射率|ｒ_ｐ|^２、および、ｓ偏光の反射係数ｒ_ｓとｐ偏光の反射係数ｒ_ｐとの間の相対反射位相Δ＝δ_ｓ－δ_ｐを求めればよい。本実施形態の光学特性評価装置１および本実施形態の光学特性評価方法では、次のようにして |ｒ_ｓ|^２、|ｒ_ｐ|^２ およびΔを求める。

【0050】

ｓ偏光の反射率|ｒ_ｓ|^２は次のようにして求めることができる。偏光ビームスプリッタ３０から出力される光（ｓ偏光）の偏光方位に対して、４分の１波長板４１の光学軸の角度αを０°に設定し、２分の１波長板４２の光学軸の角度βを０°に設定する。このとき、評価対象物Ｓに照射される光は、偏光調整部４０によりｓ偏光成分のみとなり、反射係数ｒ_ｓで反射される。その反射光は、偏光ビームスプリッタ３０に入力されるときにもｓ偏光であるから、光サーキュレータ２０を経て第１検出部６０により検出される。第１検出部６０による検出値は|Ｅ_ｓ|^２＝|ｒ_ｓ|^２ に相当する。図２は、α＝β＝０°としたときの第１検出部６０および第２検出部７０それぞれによる検出値の波長依存性の一例を示すグラフである。

【0051】

ｐ偏光の反射率|ｒ_ｐ|^２は次のようにして求めることができる。偏光ビームスプリッタ３０から出力される光（ｓ偏光）の偏光方位に対して、４分の１波長板４１の光学軸の角度αを０°に設定し、２分の１波長板４２の光学軸の角度βを４５°に設定する。このとき、評価対象物Ｓに照射される光は、偏光調整部４０によりｐ偏光成分のみとなり、反射係数ｒ_ｐで反射される。その反射光は、偏光ビームスプリッタ３０に入力されるときに偏光調整部４０によりｓ偏光に戻るから、光サーキュレータ２０を経て第１検出部６０により検出される。第１検出部６０による検出値は|Ｅ_ｐ|^２＝|ｒ_ｐ|^２ に相当する。図３は、α＝０°，β＝４５°としたときの第１検出部６０および第２検出部７０それぞれによる検出値の波長依存性の一例を示すグラフである。

【0052】

相対反射位相Δは次のようにして求めることができる。４分の１波長板４１の光学軸の角度αおよび２分の１波長板４２の光学軸の角度βを上記設定とは異なる値に設定して、評価対象物Ｓに照射される光がｓ偏光およびｐ偏光の何れとも異なる偏光状態となるようにする。そのときの第１検出部６０による検出値または第２検出部７０による検出値を求める。図４は、α＝３０°，β＝２２.５°としたときの第１検出部６０および第２検出部７０それぞれによる検出値の波長依存性の一例を示すグラフである。

【0053】

第１検出部６０による検出値は上記（７）式による計算値|Ｅ_ｓ|^２と一致する筈であるから、第１検出部６０による検出値と上記（７）式による計算値|Ｅ_ｓ|^２との差が最小となるようなΔを求めればよい。このとき、最小二乗法を用いることができる。また、シミュレーティド・アニーリング（Simulated Annealing）法、シンプレックス法、遺伝的アルゴリズムなどの最適化アルゴリズムを用いてもよい。

【0054】

最小二乗法を用いる場合、下記（９）式の値が最小となるようにする。この式において、Ｎは第１検出部６０により検出した波長の数であり、ｎは波長を表す変数である。ｙ_ｎは上記（７）式による計算値|Ｅ_ｓ|^２であり、ｆ(ｘ_ｎ)は第１検出部６０による検出値であり、σ_ｎは標準偏差である。また、この計算の開始に際してｙ_ｎの初期値を設定して、計算を行っていくことによりｙ_ｎがｆ(ｘ_ｎ)に近づいていくようにする。ｙ_ｎの初期値は波長によらず一定の値であってもよい。すなわち、Δの初期値は波長によらず一定の値であってもよい。

【0055】

【数9】

【0056】

第１検出部６０による検出値と上記（７）式による計算値|Ｅ_ｓ|^２との差が最小となるようなΔを求めることに替えて、第２検出部７０による検出値と上記（７）式による計算値|Ｅ_ｐ|^２との差が最小となるようなΔを求めてもよい。また、確認のために双方の計算を行ってもよい。また、αおよびβを他の値に設定して測定を行って、同様に計算をしてもよい。

【0057】

図５は、Δの初期値および解析値それぞれの波長依存性の一例を示すグラフである。初期位相スペクトルは波長によらず一定の６ラジアンとした。図６は、Δの解析値および参考値それぞれの波長依存性を対比して示すグラフである。Δの解析値は、図５に示されたものと同じである。Δの参考値は、他の方法により測定されたものである。広い波長範囲に亘って両者は互いによく一致している。

【0058】

図７は、光学特性評価装置２の構成を示す図である。図１に示された光学特性評価装置１では偏光ビームスプリッタ３０から評価対象物Ｓへ出力される光がｓ偏光であったのに対して、この図７に示される光学特性評価装置２では偏光ビームスプリッタ３０から評価対象物Ｓへ出力される光はｐ偏光となる。

【0059】

すなわち、図７に示される光学特性評価装置２では、偏光ビームスプリッタ３０は、光源１０から出力されて光サーキュレータ２０を経て到達した光を第１方位の直線偏光成分（ｐ偏光成分）と第２方位の直線偏光成分（ｓ偏光成分）とに偏光分離して、そのうちの第１方位の直線偏光成分（ｐ偏光成分）を偏光調整部４０へ出力する。また、偏光ビームスプリッタ３０は、偏光調整部４０から到達した光を第１方位の直線偏光成分（ｐ偏光成分）と第２方位の直線偏光成分（ｓ偏光成分）とに偏光分離して、そのうちの第１方位の直線偏光成分（ｐ偏光成分）を光サーキュレータ２０へ出力し、第２方位の直線偏光成分（ｓ偏光成分）を第２検出部７０へ出力する。

【0060】

第１検出部６０は、評価対象物Ｓから偏光調整部４０を経て偏光ビームスプリッタ３０に到達した光のうち、偏光ビームスプリッタ３０により偏光分離されて出力された第１方位の直線偏光成分（ｐ偏光成分）を受光して検出する。第２検出部７０は、評価対象物Ｓから偏光調整部４０を経て偏光ビームスプリッタ３０に到達した光のうち、偏光ビームスプリッタ３０により偏光分離されて出力された第２方位の直線偏光成分（ｓ偏光成分）を受光して検出する。

【0061】

ｐ偏光の反射率|ｒ_ｐ|^２は次のようにして求めることができる。偏光ビームスプリッタ３０から出力される光（ｐ偏光）の偏光方位に対して、４分の１波長板４１の光学軸の角度αを０°に設定し、２分の１波長板４２の光学軸の角度βを０°に設定する。このとき、評価対象物Ｓに照射される光は、偏光調整部４０によりｐ偏光成分のみとなり、反射係数ｒ_ｐで反射される。その反射光は、偏光ビームスプリッタ３０に入力されるときにもｐ偏光であるから、光サーキュレータ２０を経て第１検出部６０により検出される。第１検出部６０による検出値は|Ｅ_ｐ|^２＝|ｒ_ｐ|^２ に相当する。

【0062】

ｓ偏光の反射率|ｒ_ｓ|^２は次のようにして求めることができる。偏光ビームスプリッタ３０から出力される光（ｐ偏光）の偏光方位に対して、４分の１波長板４１の光学軸の角度αを０°に設定し、２分の１波長板４２の光学軸の角度βを４５°に設定する。このとき、評価対象物Ｓに照射される光は、偏光調整部４０によりｓ偏光成分のみとなり、反射係数ｒ_ｓで反射される。その反射光は、偏光ビームスプリッタ３０に入力されるときに偏光調整部４０によりｐ偏光に戻るから、光サーキュレータ２０を経て第１検出部６０により検出される。第１検出部６０による検出値は|Ｅ_ｓ|^２＝|ｒ_ｓ|^２ に相当する。

【0063】

相対反射位相Δは次のようにして求めることができる。４分の１波長板４１の光学軸の角度αおよび２分の１波長板４２の光学軸の角度βを上記設定とは異なる値に設定して、評価対象物Ｓに照射される光がｓ偏光およびｐ偏光の何れとも異なる偏光状態となるようにする。そのときの第１検出部６０による検出値または第２検出部７０による検出値を求める。上記と同様に、この検出値と上記（７）式による計算値とに基づいてΔを求めることができる。

【0064】

以上のとおり、本実施形態によれば、評価対象物の光学特性を簡易な構成で容易に評価することができる。本実施形態では、評価対象物に対して光を垂直入射させることができるので、装置を小型化して簡易な構成とすることができる。非特許文献１に記載された技術では反射率測定時と位相特性測定時とで光路上に挿入する光学素子を交換する必要があるが、本実施形態では、そのような交換の必要がないので、光学系調整の負荷が小さく、短時間で容易に評価をすることができる。また、本実施形態では、光路の一部に光ファイバを設け、光サーキュレータを用いることにより、更に装置の小型化や評価の容易化が可能となり、また、耐震性に優れた評価が可能となる。

【符号の説明】

【0065】

１，２…光学特性評価装置、１０…光源、２０…光サーキュレータ、２１…第１端子、２２…第２端子、２３…第３端子、３０…偏光ビームスプリッタ、４０…偏光調整部、４１…４分の１波長板、４２…２分の１波長板、５０…対物レンズ、６０…第１検出部、７０…第２検出部、８０…解析部、９１…第１光ファイバ、９２…第２光ファイバ、９３…第３光ファイバ、９４…第４光ファイバ、９５…ファイバコリメータ、９６…ファイバコリメータ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】