本發(fā)明涉及對(duì)雙折射介質(zhì)的雙折射進(jìn)行測(cè)定的雙折射測(cè)定裝置以及雙折射測(cè)定方法。

背景技術(shù)：

作為測(cè)定雙折射介質(zhì)的雙折射的方法，正交尼科爾法已為人所熟知。在該方法中，一邊使彼此正交的偏振器以及檢偏器與配置在它們之間的作為測(cè)定對(duì)象物的雙折射介質(zhì)相對(duì)地旋轉(zhuǎn)，一邊測(cè)定透射過(guò)偏振器、測(cè)定對(duì)象物以及檢偏器的光的強(qiáng)度iout(θ)，并通過(guò)下式求出測(cè)定對(duì)象物的雙折射δn。

[數(shù)學(xué)式1]

其中，iin是從偏振器側(cè)入射的光的強(qiáng)度，θ是測(cè)定對(duì)象物的相對(duì)的旋轉(zhuǎn)角度，d是測(cè)定對(duì)象物的厚度。此外，由雙折射δn與厚度d之積表示的δnd是波長(zhǎng)為久的光通過(guò)測(cè)定對(duì)象物時(shí)在非常光成分與常光成分之間產(chǎn)生的光程差，由于該光程差而產(chǎn)生相位差δ。

[數(shù)學(xué)式2]

像這樣，根據(jù)通過(guò)了厚度為d的測(cè)定對(duì)象物的光的相位差δ可導(dǎo)出雙折射δn，因此雙折射測(cè)定與相位差測(cè)定是等同的，有時(shí)也被稱(chēng)為雙折射相位差測(cè)定。

然而，該方法需要使偏振器以及檢偏器與測(cè)定對(duì)象物相對(duì)地旋轉(zhuǎn)至少180°，因而存在如下問(wèn)題，即，測(cè)定需要耗費(fèi)時(shí)間，并需要大規(guī)模的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。因此，提出了利用偏振器生成圓偏振光并入射到測(cè)定對(duì)象物，從而只使末端的檢偏器旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)檢偏器法，但是依然需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

為了解決該問(wèn)題，也提出了各種不需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的方法。例如，在專(zhuān)利文獻(xiàn)1中，提出了雙折射測(cè)定裝置100(參照?qǐng)D15)，其具備：對(duì)測(cè)定對(duì)象物20照射偏振光l10的單元；將透射過(guò)測(cè)定對(duì)象物20的偏振光l11分割為3個(gè)的分束器101、102；使被分割為3個(gè)的偏振光l11的在特定方向上振動(dòng)的成分通過(guò)的檢偏器103、104、105；測(cè)定透射過(guò)各檢偏器103、104、105的光的強(qiáng)度的受光器106、107、108；以及根據(jù)由各受光器106、107、108得到的結(jié)果來(lái)求出偏振光l11的橢圓軌道的計(jì)算機(jī)等運(yùn)算裝置109。在該雙折射測(cè)定裝置100中，檢偏器103與104的角度相差45°，且檢偏器103與105的角度相差90°。

根據(jù)雙折射測(cè)定裝置100，根據(jù)偏振光l10的已知的偏振狀態(tài)與由運(yùn)算裝置109求出的偏振光l11的偏振狀態(tài)的關(guān)系，能夠求出測(cè)定對(duì)象物20的雙折射δn。

此外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，提出了一種雙折射測(cè)定裝置200(參照?qǐng)D16)，對(duì)測(cè)定對(duì)象物20照射具有已知的偏振狀態(tài)的光束(例如，圓偏振光l20)，通過(guò)偏振器陣列201和區(qū)域傳感器202(例如，cmos攝像機(jī))來(lái)檢測(cè)透射光l21的偏振狀態(tài)。如圖16(b)所示，偏振器陣列201由在xy方向上連續(xù)的多個(gè)偏振器組件203構(gòu)成，各偏振器組件203由透射軸的方位彼此不同的4×4＝16個(gè)偏振器構(gòu)成。

在雙折射測(cè)定裝置200中，偏振器陣列201發(fā)揮雙折射測(cè)定裝置100中的檢偏器103、104、105的作用，區(qū)域傳感器202發(fā)揮受光器106、107、108的作用。此外，在雙折射測(cè)定裝置200中，不需要雙折射測(cè)定裝置100中的分束器101、102。因此，根據(jù)雙折射測(cè)定裝置200，能夠以比雙折射測(cè)定裝置100簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)定對(duì)象物20的雙折射δn的二維分布進(jìn)行測(cè)定。

在先技術(shù)文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)1：日本特開(kāi)2006-71458號(hào)公報(bào)

專(zhuān)利文獻(xiàn)2：日本特開(kāi)2007-263593號(hào)公報(bào)

非專(zhuān)利文獻(xiàn)

非專(zhuān)利文獻(xiàn)1：akiraemoto，masayanishi，makotookada，sayakamanabe，shinjimatsui，nobuhirokawatsuki，andhiroshiono，″formbirefringenceinintrinsicbirefringentmediapossessingasubwavelengthstructure″，appliedoptics，10august2010，vol.49，no.23，p.4355-4361.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

然而，以往的雙折射測(cè)定裝置100在運(yùn)算裝置109中進(jìn)行兩個(gè)階段的計(jì)算處理(基于受光器106、107、108的受光強(qiáng)度來(lái)計(jì)算基于橢圓函數(shù)的橢圓率以及計(jì)算相位差δ和雙折射δn)，因此即使準(zhǔn)備高性能的運(yùn)算裝置109也難以對(duì)時(shí)刻變化的雙折射δn進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定。此外，在對(duì)測(cè)定對(duì)象物20的一定程度大的區(qū)域的雙折射δn的二維分布進(jìn)行測(cè)定的情況下，換言之，在測(cè)定由測(cè)定對(duì)象物20產(chǎn)生的相位差δ的二維分布的情況下，在以往的雙折射測(cè)定裝置100中，需要將由受光器106、107、108得到的光強(qiáng)度分布彼此準(zhǔn)確地進(jìn)行位置對(duì)齊之后，由運(yùn)算裝置109求出相位差δ，因此還存在裝置大型化、復(fù)雜化的問(wèn)題。

此外，以往的雙折射測(cè)定裝置200并不是通過(guò)構(gòu)成偏振器組件203的每個(gè)偏振器來(lái)測(cè)定透射光l21的偏振狀態(tài)，而是通過(guò)偏振器組件203整體來(lái)測(cè)定透射光l21的偏振狀態(tài)，因此不能對(duì)與每個(gè)偏振器對(duì)應(yīng)的測(cè)定對(duì)象物20的微小區(qū)域的雙折射δn進(jìn)行微觀(guān)測(cè)定。換言之，雙折射測(cè)定裝置200存在不適合對(duì)雙折射δn的二維分布進(jìn)行精細(xì)的測(cè)定的問(wèn)題。

本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其課題在于，提供一種能夠通過(guò)無(wú)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)時(shí)且精細(xì)地對(duì)測(cè)定對(duì)象物的雙折射的二維分布進(jìn)行測(cè)定的雙折射測(cè)定裝置以及雙折射測(cè)定方法。

用于解決課題的技術(shù)方案

為了解決上述課題，本發(fā)明所涉及的雙折射測(cè)定裝置構(gòu)成為，具備：光束生成單元，生成光束；光束照射單元，使所述光束成為預(yù)先決定的偏振狀態(tài)，并對(duì)測(cè)定對(duì)象物進(jìn)行照射；成像光學(xué)系統(tǒng)，使透射過(guò)所述測(cè)定對(duì)象物的光束成像；偏振光衍射光柵，配置在所述成像光學(xué)系統(tǒng)的中途；攝像單元，生成與由所述成像光學(xué)系統(tǒng)成像的像的明暗相關(guān)的明暗信號(hào)；以及輸出單元，輸出與基于所述明暗信號(hào)而求出的、由于透射過(guò)所述測(cè)定對(duì)象物而產(chǎn)生的透射過(guò)所述測(cè)定對(duì)象物的光束中的相位差相關(guān)的信息，所述攝像單元生成由所述偏振光衍射光柵產(chǎn)生的多個(gè)衍射光之中的至少一個(gè)衍射光的像的所述明暗信號(hào)。

上述雙折射測(cè)定裝置的入射到所述測(cè)定對(duì)象物的光束例如是圓偏振光。

在該情況下，進(jìn)一步優(yōu)選為，所述攝像單元生成由所述偏振光衍射光柵產(chǎn)生的+1階衍射光和-1階衍射光之中的、在透射過(guò)所述測(cè)定對(duì)象物的光束是與入射到所述測(cè)定對(duì)象物的圓偏振光相同的圓偏振光的情況下變得最暗、且在透射過(guò)所述測(cè)定對(duì)象物的光束是與入射到所述測(cè)定對(duì)象物的圓偏振光反向旋轉(zhuǎn)的圓偏振光的情況下變得最亮的一方衍射光的像的所述明暗信號(hào)。

上述雙折射測(cè)定裝置的所述偏振光衍射光柵例如是由石英板或透明樹(shù)脂板構(gòu)成的結(jié)構(gòu)雙折射偏振光衍射光柵。

所述偏振光衍射光柵例如由沿鄰接方向排列的多個(gè)柵格單元構(gòu)成，所述柵格單元分別由一維的條狀柵格構(gòu)成，鄰接的所述柵格單元的柵格矢量的方向不同，使得在所述鄰接方向上形成周期性結(jié)構(gòu)。

在該情況下，所述條狀柵格的周期優(yōu)先為小于所述光束生成單元生成的光束的波長(zhǎng)的0.6倍的值。

上述雙折射測(cè)定裝置的所述成像光學(xué)系統(tǒng)例如是4f光學(xué)系統(tǒng)。

在該情況下，將所述偏振光衍射光柵配置在所述測(cè)定對(duì)象物與所述攝像單元的中間位置即可。

此外，為了解決上述課題，本發(fā)明涉及的雙折射測(cè)定方法構(gòu)成為，具備：光束生成工序，生成光束；光束照射工序，使所述光束成為預(yù)先決定的偏振狀態(tài)，并對(duì)測(cè)定對(duì)象物進(jìn)行照射；成像工序，經(jīng)由偏振光衍射光柵使透射過(guò)所述測(cè)定對(duì)象物的光束成像；信號(hào)生成工序，生成與通過(guò)所述成像工序而成像的像的明暗相關(guān)的明暗信號(hào)；以及輸出工序，輸出與基于所述明暗信號(hào)而求出的、由于透射過(guò)所述測(cè)定對(duì)象物而產(chǎn)生的透射過(guò)所述測(cè)定對(duì)象物的光束中的相位差相關(guān)的信息，在所述信號(hào)生成工序中，生成由所述偏振光衍射光柵產(chǎn)生的多個(gè)衍射光之中的至少一個(gè)衍射光的像的所述明暗信號(hào)。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種能夠通過(guò)無(wú)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)時(shí)且精細(xì)地對(duì)測(cè)定對(duì)象物的雙折射的二維分布進(jìn)行測(cè)定的雙折射測(cè)定裝置以及雙折射測(cè)定方法。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。

圖2是第一實(shí)施例中的偏振光衍射光柵的表面的掃描型電子顯微鏡(sem)照片。

圖3是示出第一實(shí)施例中的偏振光衍射光柵產(chǎn)生的±1階衍射光的衍射效率與入射到偏振光衍射光柵的透射光的關(guān)系的曲線(xiàn)圖。

圖4是用于說(shuō)明第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置的測(cè)定原理的圖。

圖5是關(guān)于第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置的測(cè)定例1的圖，圖5(a)是示出在測(cè)定例1中使用的測(cè)定對(duì)象物的結(jié)構(gòu)的圖，圖5(b)是示出測(cè)定例1的測(cè)定結(jié)果的圖。

圖6是測(cè)定例1中的測(cè)定對(duì)象物的偏振光顯微鏡照片。

圖7是示出第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置的測(cè)定例2的測(cè)定結(jié)果的圖。

圖8是測(cè)定例2中的測(cè)定對(duì)象物的偏振光顯微鏡照片。

圖9是關(guān)于第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置的倫奇測(cè)試的圖，圖9(a)是示出所使用的裝置的結(jié)構(gòu)的圖，圖9(b)是所得到的明暗分布圖像。

圖10是本發(fā)明的第二實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。

圖11是示出第二實(shí)施例中的偏振光衍射光柵的結(jié)構(gòu)的表面圖。

圖12是示出第二實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置的測(cè)定例3的測(cè)定結(jié)果的圖。

圖13是本發(fā)明的第三實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。

圖14是具備本發(fā)明涉及的雙折射測(cè)定裝置的膜檢查裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。

圖15是以往的雙折射測(cè)定裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。

圖16是以往的另一個(gè)雙折射測(cè)定裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明涉及的雙折射測(cè)定裝置以及雙折射測(cè)定方法的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。

[第一實(shí)施例]

在圖1示出本發(fā)明的第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1a。如圖1所示，雙折射測(cè)定裝置1a具備生成特定的偏振狀態(tài)的激光l1的激光源2、從激光l1生成線(xiàn)偏振光l2的偏振器3、對(duì)線(xiàn)偏振光l2進(jìn)行擴(kuò)束的擴(kuò)束器4、以及從擴(kuò)束后的線(xiàn)偏振光l2生成順時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光l3的1/4波長(zhǎng)板5。從1/4波長(zhǎng)板5出射的圓偏振光l3入射到測(cè)定對(duì)象物20。

激光源2相當(dāng)于本發(fā)明的“光束生成單元”。激光源2向偏振器3射出波長(zhǎng)為532nm的激光。

擴(kuò)束器4由第一透鏡4a和第二透鏡4b構(gòu)成。如圖1所示，第二透鏡4b的直徑大于第一透鏡4a的直徑。擴(kuò)束器4在保持偏振狀態(tài)的狀態(tài)下對(duì)線(xiàn)偏振光l2進(jìn)行擴(kuò)束。擴(kuò)束器4與偏振器3以及1/4波長(zhǎng)板5一同構(gòu)成本發(fā)明的“光束照射單元”。

雙折射測(cè)定裝置1a還具備：使來(lái)自測(cè)定對(duì)象物20的透射光l4成像的成像光學(xué)系統(tǒng)10；配置在成像光學(xué)系統(tǒng)10的中途的偏振光衍射光柵8；生成與由成像光學(xué)系統(tǒng)10成像的像的明暗相關(guān)的明暗信號(hào)的cmos攝像機(jī)12；以及輸出與基于明暗信號(hào)而求出的、以圓偏振光l3(入射光)為基準(zhǔn)的透射光l4(出射光)中的非常光成分與常光成分之間的相位差δ相關(guān)的信息的顯示器13。

成像光學(xué)系統(tǒng)10包括直徑相等的第三透鏡7和第四透鏡9。測(cè)定對(duì)象物20與第三透鏡7的距離、第三透鏡7與偏振光衍射光柵8的距離、偏振光衍射光柵8與第四透鏡9的距離、以及第四透鏡9與cmos攝像機(jī)12的受光面的距離均為f。即，本實(shí)施例的成像光學(xué)系統(tǒng)10是4f光學(xué)系統(tǒng)。

偏振光衍射光柵8產(chǎn)生與通射過(guò)邊長(zhǎng)為3mm的方形的第一光圈6的透射光l4對(duì)應(yīng)的多個(gè)衍射光。其中，包括+1階衍射光l6和-1階衍射光l7。偏振光衍射光柵8還產(chǎn)生0階衍射光l5以及±2階以上的高階衍射光，但是在本實(shí)施例不利用這些衍射光。

cmos攝像機(jī)12相當(dāng)于本發(fā)明的“攝像單元”。在本實(shí)施例中，只有偏振光衍射光柵8產(chǎn)生的多個(gè)衍射光之中的通過(guò)第二光圈11的-1階衍射光l7入射到cmos攝像機(jī)12的受光部。然后，cmos攝像機(jī)12生成與-1階衍射光l7的像的明暗相關(guān)的明暗信號(hào)，并將其發(fā)送到顯示器13。明暗信號(hào)的發(fā)送既可以在有操作員的指示時(shí)進(jìn)行，也可以按預(yù)先決定的時(shí)間間隔(例如，1/30秒)連續(xù)地進(jìn)行。

顯示器13相當(dāng)于本發(fā)明的“輸出單元”。顯示器13接收從cmos攝像機(jī)12輸出的明暗信號(hào)，并且基于所接收到的明暗信號(hào)所示的透射光l4的偏振狀態(tài)與圓偏振光l3的已知的偏振狀態(tài)(在本實(shí)施例中，是順時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光)的關(guān)系，來(lái)顯示對(duì)透射光l4中的非常光成分與常光成分之間的相位差δ的二維分布進(jìn)行表示的圖像。顯示器13也可以具備負(fù)責(zé)生成圖像的運(yùn)算處理裝置。

在測(cè)定對(duì)象物20的厚度d已知的情況下，顯示器13所顯示的相位差δ的二維分布與測(cè)定對(duì)象物20的雙折射δn的二維分布是等價(jià)的。另一方面，在測(cè)定對(duì)象物20的雙折射δn已知的情況下，顯示器13所顯示的相位差δ的二維分布與測(cè)定對(duì)象物20的厚度d的二維分布是等價(jià)的。

接下來(lái)，參照?qǐng)D2～圖4對(duì)本實(shí)施例中的偏振光衍射光柵8的結(jié)構(gòu)以及相位差δ的測(cè)定原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

偏振光衍射光柵8是在厚度為大約10μm的透明樹(shù)脂板的一個(gè)表面通過(guò)光壓印法并列地形成了多個(gè)柵格單元的結(jié)構(gòu)雙折射偏振光衍射光柵。如圖2(a)和圖2(b)所示，偏振光衍射光柵8在x方向(以下，稱(chēng)為“鄰接方向”)上具有周期性結(jié)構(gòu)。更詳細(xì)地，在偏振光衍射光柵8的表面，連續(xù)地形成有由條狀(短冊(cè)狀)的柵格單元8a、條狀的柵格單元8b、條狀的柵格單元8c以及條狀的柵格單元8d構(gòu)成的柵格單元組，柵格單元8a由相對(duì)于鄰接方向成90°的多個(gè)平行的槽構(gòu)成，柵格單元8b由相對(duì)于鄰接方向成45°的多個(gè)平行的槽構(gòu)成，柵格單元8c由與鄰接方向平行的多個(gè)槽構(gòu)成，柵格單元8d由相對(duì)于鄰接方向成-45°的多個(gè)平行的槽構(gòu)成。換言之，在偏振光衍射光柵8的表面，形成有柵格矢量相對(duì)于鄰接方向平行的柵格單元8a、柵格矢量相對(duì)于鄰接方向成-45°的柵格單元8b、柵格矢量相對(duì)于鄰接方向成-90°的柵格單元8c、以及柵格矢量相對(duì)于鄰接方向成-135°的柵格單元8d。

本實(shí)施例中的各柵格單元8a～8d的鄰接方向上的尺寸w1均為2000nm。

為了作為偏振光衍射光柵而并非通常的衍射光柵來(lái)發(fā)揮功能，各柵格單元8a～8d中的槽的周期w2(參照?qǐng)D2(c))設(shè)定為比激光源2生成的激光l1的波長(zhǎng)足夠短。本實(shí)施例中的槽的周期w2是200nm。此外，本實(shí)施例中的槽的深度為250nm。若將槽的周期w2設(shè)定為激光源2生成的激光l1的波長(zhǎng)的0.6倍以上，則偏振光衍射光柵8會(huì)不作為偏振光衍射光柵而發(fā)揮功能。此外，從s/n比的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，槽優(yōu)選較深。另外，關(guān)于將槽的周期w2設(shè)定為小于激光l1的波長(zhǎng)的0.6倍的理由，在上述非專(zhuān)利文獻(xiàn)1中進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，可以參照。

如上所述，偏振光衍射光柵8產(chǎn)生+1階衍射光l6和-1階衍射光l7。如圖3所示，關(guān)于+1階衍射光l6(口符號(hào))，其在入射到偏振光衍射光柵8的光即測(cè)定對(duì)象物20的透射光l4為逆時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光時(shí)最弱(暗)，在是順時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光時(shí)最強(qiáng)(變亮)。另一方面，-1階衍射光l7(●符號(hào))示出與+1階衍射光l6相反的性質(zhì)，即，在透射光l4為順時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光時(shí)最弱(暗)，在是逆時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光時(shí)最強(qiáng)(變亮)。另外，作為圖3所示的曲線(xiàn)圖的橫軸的透射光l4的橢圓率是由下式求取的橢圓率角x。

[數(shù)學(xué)式3]

其中，a是橢圓的長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度，b是橢圓的短軸的長(zhǎng)度。

如圖4(a)所示，若使由取代激光源2等而配置的試驗(yàn)用光源14生成的偏振狀態(tài)不同的各種試驗(yàn)光l8經(jīng)過(guò)第一光圈6入射到偏振光衍射光柵8，則在cmos攝像機(jī)12的受光面中，在試驗(yàn)光l8為順時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光時(shí)得到最暗的像，在試驗(yàn)光l8為逆時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光時(shí)得到最亮的像(參照?qǐng)D4(b))。此外，若移動(dòng)第二光圈11的位置而僅使+1階衍射光l6入射到cmos攝像機(jī)12，則在cmos攝像機(jī)12的受光面中，在試驗(yàn)光l8為順時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光時(shí)得到最亮的像，并在試驗(yàn)光l8為逆時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光時(shí)得到最暗的像(參照?qǐng)D4(c))。

像這樣，根據(jù)第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1a，能夠基于成像在cmos攝像機(jī)12的受光面的像的明暗來(lái)確定入射到偏振光衍射光柵8的光(在圖1中是透射光l4)的偏振狀態(tài)。而且，能夠基于透射光l4的偏振狀態(tài)與圓偏振光l3的已知的偏振狀態(tài)(在本實(shí)施例中，是順時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光)的關(guān)系，至少求出透射光l4中的非常光成分與常光成分之間的相位差δ。

此外，成像在cmos攝像機(jī)12的受光面的像的明暗與相位差δ存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，根據(jù)本實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1a，通過(guò)預(yù)先調(diào)查兩者的關(guān)系并進(jìn)行表格化，從而能夠基于明暗信號(hào)瞬間就求出相位差δ。

此外，如上所述，相位差δ由測(cè)定對(duì)象物20的雙折射δn與厚度d之積構(gòu)成，因此若厚度d已知，則根據(jù)所求出的相位差δ，能夠容易地求出測(cè)定對(duì)象物20的雙折射δn。

接下來(lái)，針對(duì)第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1a的測(cè)定例，與基于偏振光顯微鏡的測(cè)定進(jìn)行比較來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

(測(cè)定例1)

將市面銷(xiāo)售的透明膠帶進(jìn)行切斷來(lái)準(zhǔn)備3個(gè)小片t1、t2、t3，沿著載玻片g的長(zhǎng)邊粘貼小片t1，粘貼小片t2使得與該小片t1呈直角交叉，進(jìn)而，粘貼相對(duì)于小片t1傾斜45°的小片t3的矩形的一部分t3’使得與小片t1和t2的兩方接觸，從而制作成圖5(a)所示的測(cè)定對(duì)象物。

圖5(b)是由第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1a對(duì)該測(cè)定對(duì)象物的區(qū)域b進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果。通常，透明膠帶在制造工序(更詳細(xì)地，是延伸工序)中會(huì)部分結(jié)晶化，在結(jié)晶化的部分和未結(jié)晶化的部分，雙折射δn不同。在厚度大致相同的小片t1、t2以及t3’內(nèi)存在明暗差正是因?yàn)檫@一點(diǎn)。

此外，小片t1中的雙折射δn的分布、小片t2中的雙折射δn的分布、以及小片t3’中的雙折射δn的分布彼此不同。這示出了，通過(guò)基于本實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1a的測(cè)定，能夠確定在制造過(guò)程中進(jìn)行延伸的方向。小片t1和t2重疊的區(qū)域t12成為與小片t1、t2以及t3’完全不同的結(jié)果。這示出了，在區(qū)域t12中，小片t1和小片t2具有大致相等的雙折射δn，并且以彼此正交的關(guān)系重疊，所以相對(duì)于圓偏振光l3(入射偏振光)的相位差被抵消，在區(qū)域t12中未觀(guān)測(cè)到實(shí)質(zhì)性的雙折射。

若為了進(jìn)行比較而使用偏振光顯微鏡對(duì)區(qū)域b的中心部進(jìn)行平行尼科爾觀(guān)察，則可得到圖6所示的結(jié)果。與圖5(b)不同，在圖6中，在小片t1、小片t2以及它們重疊的區(qū)域t12未發(fā)現(xiàn)顯著的差異。這表示，通過(guò)基于偏振光顯微鏡的一次觀(guān)察，難以確定透明膠帶的延伸方向，或者難以找出厚度不同的部分。另外，圖6中的兩個(gè)平行的箭頭表示是進(jìn)行了偏振器與檢偏器的方向平行的狀態(tài)下的觀(guān)察的結(jié)果，即，進(jìn)行了平行尼科爾觀(guān)察的結(jié)果。

(測(cè)定例2)

圖7是由第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1a對(duì)作為測(cè)定對(duì)象物的砂糖的晶體進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果。因?yàn)樯疤堑木w是均質(zhì)的，所以雙折射δn恒定。因此，可以說(shuō)圖7中的明暗的分布表示晶體的厚度d。

圖8是使用偏振光顯微鏡對(duì)上述砂糖的晶體進(jìn)行平行尼科爾觀(guān)察(圖8(a))和正交尼科爾觀(guān)察(圖8(b)～圖8(c))的結(jié)果。在使偏振器和檢偏器相對(duì)于砂糖的晶體相對(duì)地旋轉(zhuǎn)而進(jìn)行正交尼科爾觀(guān)察的結(jié)果中，c1和c4在圖8(b)的條件下示出最亮且同等程度的亮度。如上所述，在砂糖的晶體中雙折射δn恒定，因此可以說(shuō)兩者的厚度近似。然而，在使用了該偏振光顯微鏡的測(cè)定中，為了確定所有的晶體的厚度的關(guān)系，需要至少使作為測(cè)定對(duì)象物的砂糖的晶體連續(xù)地旋轉(zhuǎn)180°，并以正交尼科爾配置進(jìn)行觀(guān)察、記錄之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，因此作業(yè)量大，并且要求機(jī)械精度較高的旋轉(zhuǎn)操作。另外，與圖6同樣地，圖8中的兩個(gè)平行的箭頭表示是進(jìn)行了平行尼科爾觀(guān)察的結(jié)果。此外，圖8中的兩個(gè)正交的箭頭表示是進(jìn)行了偏振器與檢偏器的方向正交的狀態(tài)下的觀(guān)察的結(jié)果，即，進(jìn)行了正交尼科爾觀(guān)察的結(jié)果。

(倫奇測(cè)試)

接下來(lái)，為了評(píng)價(jià)第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1a的分辨率，對(duì)使用圖9(a)所示的裝置進(jìn)行的倫奇測(cè)試(ronchitest)的結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。另外，圖9(a)所示的裝置與雙折射測(cè)定裝置1a的不同點(diǎn)在于：取代測(cè)定對(duì)象物20而配置有倫奇光柵15；圓偏振光l3被略微調(diào)整為橢圓偏振光，使得能夠從不產(chǎn)生雙折射的倫奇光柵15的通過(guò)光l4產(chǎn)生-1階衍射光l7；以及成像光學(xué)系統(tǒng)10為放大光學(xué)系統(tǒng)(放大率：2.1倍)。

在圖9(b)～圖9(d)示出使用10條線(xiàn)/mm、20條線(xiàn)/mm以及40條線(xiàn)/mm這3種倫奇光柵15時(shí)由cmos攝像機(jī)12得到的明暗分布圖像。即使在使用了柵格寬度最窄的40條線(xiàn)/mm的倫奇光柵15的情況下，也能夠清楚地確認(rèn)直線(xiàn)狀的柵格(參照?qǐng)D9(d))。該結(jié)果表示，在該評(píng)價(jià)中使用的裝置具有至少12.5μm的分辨率。即，該結(jié)果表示，第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1a適合于微觀(guān)測(cè)定。

另外，需要注意的是，上述12.5μm并不是表示第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1a的分辨率的極限的數(shù)值。

[第二實(shí)施例]

在圖10中示出本發(fā)明的第二實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1b。本實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1b與雙折射測(cè)定裝置1a的不同點(diǎn)在于，不具備1/4波長(zhǎng)板5。因此，在雙折射測(cè)定裝置1b中，由擴(kuò)束器4進(jìn)行了擴(kuò)束的線(xiàn)偏振光l2直接入射到測(cè)定對(duì)象物20。結(jié)果，在本實(shí)施例中，可得到與第一實(shí)施例不同的透射光l4’以及衍射光l5’、l6’、l7’。

此外，雙折射測(cè)定裝置1b與雙折射測(cè)定裝置1a的不同點(diǎn)還在于，具備成像光學(xué)系統(tǒng)10’。成像光學(xué)系統(tǒng)10’包括直徑不同的第三透鏡7’和第四透鏡9。測(cè)定對(duì)象物20與第三透鏡7’的距離、以及第三透鏡7’與偏振光衍射光柵8’的距離均為f1。另一方面，偏振光衍射光柵8’與第四透鏡9的距離、以及第四透鏡9與cmos攝像機(jī)12的受光面的距離均為f2(其中，f2＞f1)。

雙折射測(cè)定裝置1b與雙折射測(cè)定裝置1a的不同點(diǎn)還在于，具備偏振光衍射光柵8’。偏振光衍射光柵8’是通過(guò)與偏振光衍射光柵8相同的方法制作的結(jié)構(gòu)雙折射偏振光衍射光柵。如圖11所示，偏振光衍射光柵8’在x方向(鄰接方向)上具有周期性結(jié)構(gòu)。更詳細(xì)地，在偏振光衍射光柵8的表面，連續(xù)地形成有由相對(duì)于鄰接方向成90°的多個(gè)平行的槽構(gòu)成的條狀的柵格單元8a’、由相對(duì)于鄰接方向成60°的多個(gè)平行的槽構(gòu)成的條狀的柵格單元8b’、由相對(duì)于鄰接方向成30°的多個(gè)平行的槽構(gòu)成的條狀的柵格單元8c’、由相對(duì)于鄰接方向平行的多個(gè)槽構(gòu)成的條狀的柵格單元8d’、由相對(duì)于鄰接方向成-30°的多個(gè)平行的槽構(gòu)成的條狀的柵格單元8e’、以及由相對(duì)于鄰接方向成-60°的多個(gè)平行的槽構(gòu)成的條狀的柵格單元8f’。換言之，在偏振光衍射光柵8’的表面，形成有柵格矢量相對(duì)于鄰接方向平行的柵格單元8a’、柵格矢量相對(duì)于鄰接方向成-30°的柵格單元8b’、柵格矢量相對(duì)于鄰接方向成-60°的柵格單元8c’、柵格矢量相對(duì)于鄰接方向成-90°的柵格單元8d’、柵格矢量相對(duì)于鄰接方向成-120°的柵格單元8e’、以及柵格矢量相對(duì)于鄰接方向成-150°的柵格單元8f’。

本實(shí)施例中的各柵格單元8a’～8f’的鄰接方向上的尺寸w1、槽的周期以及槽的深度與第一實(shí)施例相同。

與偏振光衍射光柵8同樣地，偏振光衍射光柵8’產(chǎn)生+1階衍射光l6’和-1階衍射光l7’。但是，因?yàn)楦鳀鸥駟卧倪吔缣幍牟鄣姆较?柵格矢量)的變化比偏振光衍射光柵8平緩，所以偏振光衍射光柵8’產(chǎn)生的+1階衍射光l6’和-1階衍射光l7’的衍射效率(強(qiáng)度)，大于偏振光衍射光柵8產(chǎn)生的+1階衍射光l6和-1階衍射光l7。因此，如果使用偏振光衍射光柵8’，則能夠進(jìn)行s/n比更高的測(cè)定。

如上所述，在本實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1b中，線(xiàn)偏振光l2入射到測(cè)定對(duì)象物20。因此，在測(cè)定對(duì)象物20中未產(chǎn)生雙折射的情況下，即，在入射到偏振光衍射光柵8’的透射光l4’為線(xiàn)偏振光的情況下，-1階衍射光l7’成為中等程度的亮度(參照?qǐng)D4(b))。此外，在測(cè)定對(duì)象物20中產(chǎn)生雙折射從而透射光l4’成為逆時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光的情況下，-1階衍射光l7’最亮，在透射光l4’成為順時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光的情況下，-1階衍射光l7’最暗。

cmos攝像機(jī)12生成與-1階衍射光l7’的像的明暗相關(guān)的明暗信號(hào)，并將其發(fā)送到顯示器13。然后，顯示器13基于所接收到的明暗信號(hào)所示的透射光l4’的偏振狀態(tài)與線(xiàn)偏振光l2的已知的偏振狀態(tài)的關(guān)系，來(lái)顯示對(duì)透射光l4’中的非常光成分與常光成分之間的相位差δ的二維分布進(jìn)行表示的圖像。

接下來(lái)，對(duì)基于與第二實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1b類(lèi)似的裝置的測(cè)定例3進(jìn)行說(shuō)明。在測(cè)定例3中使用的裝置與雙折射測(cè)定裝置1b的不同點(diǎn)在于，使圓偏振光入射到測(cè)定對(duì)象物20。為了使圓偏振光入射到測(cè)定對(duì)象物20，例如，只要使用1/4波長(zhǎng)板5即可(參照?qǐng)D1)。

(測(cè)定例3)

在本測(cè)定例中，將厚度d為20μm的聚乙烯膜作為測(cè)定對(duì)象物。圖12(a)是由cmos攝像機(jī)12所輸出的明暗信號(hào)構(gòu)成的明暗分布圖像，圖12(b)是將明暗分布圖像中的明暗變換為相位差δ而成的相位差分布圖像。根據(jù)圖12(b)所示的相位差分布圖像，與圖12(a)所示的明暗分布圖像相比，能夠更清楚地確認(rèn)由于有無(wú)損傷、組成不良而產(chǎn)生的相位差δ的變化。

另外，若在聚乙烯膜產(chǎn)生損傷，則該區(qū)域會(huì)凹陷并且其周邊區(qū)域會(huì)鼓起，因此厚度d會(huì)變化。此外，若產(chǎn)生組成不良，則該區(qū)域示出與其它區(qū)域不同的雙折射δn。根據(jù)圖12(b)所示的相位差分布圖像，通過(guò)相位差δ的變化，能夠確認(rèn)厚度d或雙折射δn的變化。

[第三實(shí)施例]

在圖13示出本發(fā)明的第三實(shí)施例所涉及的臺(tái)式的雙折射測(cè)定裝置1c。雙折射測(cè)定裝置1c將裝置的顯示器13以外的部分容納在箱體30，從而容易操作，該裝置與第一實(shí)施例所涉及的雙折射測(cè)定裝置1a的不同點(diǎn)主要在于，使用了與簡(jiǎn)易的擴(kuò)束器一體化的省空間型的光源2’，以及取代成像光學(xué)系統(tǒng)10而具備成像光學(xué)系統(tǒng)10’。

如圖13所示，雙折射測(cè)定裝置1c具備生成特定的偏振狀態(tài)的光束l1’的光源2’、使光束l1’的前進(jìn)方向從水平方向變化為垂直方向的第一反射鏡31、從沿垂直方向前進(jìn)的光束l1’生成線(xiàn)偏振光l2的偏振器3、從線(xiàn)偏振光l2生成順時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光l3的1/4波長(zhǎng)板5、以及還具有作為載物臺(tái)的作用的第一光圈6。從1/4波長(zhǎng)板5射出的圓偏振光l3入射到配置在第一光圈6上的測(cè)定對(duì)象物20。第一光圈6優(yōu)選為具備用于固定測(cè)定對(duì)象物20的機(jī)構(gòu)。此外，光源2’由激光二極管構(gòu)成。

雙折射測(cè)定裝置1c還具備使來(lái)自測(cè)定對(duì)象物20的透射光l4成像的成像光學(xué)系統(tǒng)10’(7’、9)、配置在成像光學(xué)系統(tǒng)10’的中途的偏振光衍射光柵8和第二反射鏡32、以及生成與由成像光學(xué)系統(tǒng)10’成像的像的明暗相關(guān)的明暗信號(hào)的cmos攝像機(jī)12。第二反射鏡32使衍射光l5、l6、l7的前進(jìn)方向從垂直方向變化為水平方向。

與第一實(shí)施例同樣地，在本實(shí)施例中，在3個(gè)衍射光l5、l6、l7之中，只有-1階衍射光l7入射到cmos攝像機(jī)12的受光部。其它兩個(gè)衍射光l5、l6被遮光板35(相當(dāng)于第一實(shí)施例的第二光圈11)遮擋。

雙折射測(cè)定裝置1c還具備支承第一光圈6的端部的壁面33和設(shè)置在壁面33的附近的調(diào)整用旋鈕34。若由操作員旋轉(zhuǎn)調(diào)整用旋鈕34，則第一光圈6向上下移動(dòng)與該旋轉(zhuǎn)量相應(yīng)的微小距離。由此，消除測(cè)定對(duì)象物20相對(duì)于第三透鏡7’的前方焦點(diǎn)位置的位置偏移，進(jìn)行成像光學(xué)系統(tǒng)10’的焦距調(diào)整。另一方面，第三透鏡7’、第四透鏡9、偏振光衍射光柵8、第二反射鏡32以及cmos攝像機(jī)12固定在箱體30內(nèi)的適當(dāng)?shù)奈恢?。特別是，偏振光衍射光柵8固定在第三透鏡7’的后方焦點(diǎn)位置。因此，操作員在進(jìn)行測(cè)定時(shí)無(wú)需調(diào)整它們的位置。

雙折射測(cè)定裝置1c還具備包括顯示器13的計(jì)算機(jī)36。搭載在計(jì)算機(jī)36的運(yùn)算處理裝置37基于從cmos攝像機(jī)12輸出的明暗信號(hào)來(lái)生成相位差δ的二維分布圖像。然后，顯示器13顯示由運(yùn)算處理裝置37生成的相位差δ的二維分布圖像。

[變形例]

以上，對(duì)本發(fā)明涉及的雙折射測(cè)定裝置以及雙折射測(cè)定方法的實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但是本發(fā)明不限定于這些結(jié)構(gòu)。

例如，本發(fā)明的“光束生成單元”不限定于輸出波長(zhǎng)為532nm的激光的激光源2和由激光二極管構(gòu)成的光源2’，也可以是能夠生成無(wú)偏振狀態(tài)的光束的燈等光源。

關(guān)于本發(fā)明的“光束照射單元”，只要能夠使“光束生成單元”生成的光束成為預(yù)先決定的偏振狀態(tài)并對(duì)測(cè)定對(duì)象物20進(jìn)行照射，就能夠適宜地變更結(jié)構(gòu)。入射到測(cè)定對(duì)象物20的光束的偏振狀態(tài)也可以是已知的橢圓偏振光。此外，擴(kuò)束器4可以省略。

關(guān)于本發(fā)明的“成像光學(xué)系統(tǒng)”，只要能夠使測(cè)定對(duì)象物20的透射光l4(l4’)成像在作為“攝像單元”的cmos攝像機(jī)12的受光面，就能夠適宜地變更結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的“攝像單元”也可以是能夠生成與成像在受光面的像的明暗相關(guān)的明暗信號(hào)的任意的裝置或元件。

本發(fā)明的“輸出單元”也可以是能夠輸出與基于所接收到的明暗信號(hào)而求出的相位差δ(或者，雙折射δn、厚度d)相關(guān)的信息的任意的裝置或元件。與相位差δ(雙折射δn、厚度d)相關(guān)的信息既可以是二維圖像，也可以是數(shù)值數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的“偏振光衍射光柵”既可以是通過(guò)任意的方法在透明的石英板形成了柵格的結(jié)構(gòu)雙折射偏振光衍射光柵，也可以是利用了分子定向的類(lèi)型的偏振光衍射光柵。此外，鄰接的柵格單元中的柵格矢量的方向的差異不限定于45°和30°，能夠設(shè)定為45°以下的任意的角度。從s/n比的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，柵格矢量的方向的差異優(yōu)選為較小。另外，在使用利用了分子定向的類(lèi)型的偏振光衍射光柵的情況下，有時(shí)會(huì)由于激光的照射所引起的溫度的上升而破壞分子定向，因此需要注意。

本發(fā)明的“攝像單元”也可以生成+1階衍射光l6(l6’)的明暗信號(hào)。此外，“攝像單元”還可以基于-1階衍射光l7(l7’)和+1階衍射光l6(l6’)這兩者來(lái)生成明暗信號(hào)。通過(guò)同時(shí)使用示出相反性質(zhì)的兩個(gè)衍射光l7(l7’)和l6(l6’)，能夠進(jìn)行抗噪聲較強(qiáng)的測(cè)定。

本發(fā)明的“輸出單元”也可以基于明暗信號(hào)所示的衍射光強(qiáng)度i和事先測(cè)定的最大衍射光強(qiáng)度imax通過(guò)下式來(lái)求出相位差δ。

[數(shù)學(xué)式4]

另外，在利用-1階衍射光l7(l7’)的情況下，將使由試驗(yàn)用光源14等生成的逆時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光l8入射到偏振光衍射光柵8時(shí)由cmos攝像機(jī)12測(cè)定的衍射光強(qiáng)度i作為最大衍射光強(qiáng)度imax即可(參照?qǐng)D4(b))。此外，在利用+1階衍射光l6(l6’)的情況下，將使由試驗(yàn)用光源14等生成的順時(shí)針?lè)较虻膱A偏振光l8入射到偏振光衍射光柵8時(shí)由cmos攝像機(jī)12測(cè)定的衍射光強(qiáng)度i作為最大衍射光強(qiáng)度imax即可(參照?qǐng)D4(c))。

此外，本發(fā)明所涉及的雙折射測(cè)定裝置能夠用作檢查大量生產(chǎn)的膜的雙折射中的異常的膜檢查裝置。在該情況下，如圖14所示，膜檢查裝置40具備本發(fā)明所涉及的雙折射測(cè)定裝置(作為一個(gè)例子，是雙折射測(cè)定裝置1a)和將作為測(cè)定對(duì)象物20的膜連續(xù)地供給至給定位置的膜供給機(jī)構(gòu)41。為了無(wú)遺漏地對(duì)膜的整個(gè)區(qū)域進(jìn)行檢查，cmos攝像機(jī)12每隔與膜的供給速度對(duì)應(yīng)的時(shí)間來(lái)生成明暗信號(hào)。

膜檢查裝置40也可以具備多個(gè)雙折射測(cè)定裝置(作為一個(gè)例子，是雙折射測(cè)定裝置1a)。例如，如果將多個(gè)雙折射測(cè)定裝置1a排列在與膜的供給方向正交的方向(膜的寬度方向)上，并由各雙折射測(cè)定裝置1a負(fù)責(zé)不同的區(qū)域的檢查，則能夠在不增加檢查時(shí)間的情況下對(duì)寬幅的膜進(jìn)行檢查。

產(chǎn)業(yè)上的可利用性

本發(fā)明能夠利用于各種雙折射介質(zhì)的檢查和評(píng)價(jià)。特別是，本發(fā)明在連續(xù)且高速地檢查大量生產(chǎn)的各種膜(例如，透明原材膜、涂層材料、功能性膜)是否存在組成不良或外觀(guān)不良的情況下是有用的。

符號(hào)說(shuō)明

1a、1b、1c：雙折射測(cè)定裝置；

2：激光源；

2’：光源；

3：偏光板；

4：擴(kuò)束器；

4a：第一透鏡；

4b：第二透鏡；

5：1/4波長(zhǎng)板；

6：第一光圈；

7、7’：第三透鏡；

8、8’：偏振光衍射光柵；

9：第四透鏡；

10、10’：成像光學(xué)系統(tǒng)；

11：第二光圈；

12：cmos攝像機(jī)；

13：顯示器；

14：試驗(yàn)用光源；

15：倫奇光柵；

20：測(cè)定對(duì)象物(雙折射介質(zhì))；

30：箱體；

31：第一反射鏡；

32：第二反射鏡；

33：壁面；

34：調(diào)整用旋鈕；

35：遮光板；

36：計(jì)算機(jī)；

37：運(yùn)算處理裝置；

40：膜檢查裝置；

41：膜供給機(jī)構(gòu)；

l1：激光；

l1’：光束；

l2：線(xiàn)偏振光；

l3：圓偏振光；

l4、l4’：透射光；

l5、l5’：0階衍射光；

l6、l6’：+1階衍射光；

l7、l7’：-1階衍射光。