JP2001511514A - 光弾性変調器を用いる波長板リターデーションの測定方法及び装置 - Google Patents

光弾性変調器を用いる波長板リターデーションの測定方法及び装置

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JP2001511514A
JP2001511514A JP2000504428A JP2000504428A JP2001511514A JP 2001511514 A JP2001511514 A JP 2001511514A JP 2000504428 A JP2000504428 A JP 2000504428A JP 2000504428 A JP2000504428 A JP 2000504428A JP 2001511514 A JP2001511514 A JP 2001511514A
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photoelastic modulator
light
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セオドア シー オークバーグ、
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ハインズ インスツルメンツ インコーポレイテッド
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
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Abstract

(57)【要約】 波長板のリターデーションを測定するための実際的な装置及び方法を提供すること 【解決手段】 測定装置は、光学装置において光弾性変調器２２を用い、高感度を提供する。分析は、波長板２６の品質管理検査のために特に好適である。システムは、所定の光学装置において波長板２６（又は他のリターダー・デバイス）によって与えられるリターデーションをわずかに変化させるためにも適応できる。波長板２６の位置は、波長板２６が与えるリターデーション値の対応する精確な調整をもたらすために精確に変更される。この装置は、リターデーション測定におけるエラーを補償できるようにさらに精巧である。そのようなエラーは、装置に用いられた光弾性変調器２２の光学素子に存在する静的複屈折に起因する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、光弾性変調器を用いた波長板によるリターデーション（retardatio
n）を精密に測定及び調整する装置及び方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
波長板は、直線偏光波を二つの互いに直交する直線偏光成分に分解し、該二つ
の直線偏光成分の間に位相差を与える光学デバイスである。このように、光ビー
ムの偏光状態は変えられる。波長板は、リターダー（retarder）としてしばしば
参照され、光の偏光状態の制御又は分析を必要とする分野において有用である。
【０００３】 いくつかの分野においては、実験用又は分析用の光学装置に用いられる波長板
のリターデーションを測定又は調整することが必要である。この調整は、特定の
波長板の所定のリターデーションからのいかなる変化も補償する。
【０００４】 さらに、いくつかの例においては、波長板を交換又は物理的な変更をすること
なく、光学装置に用いられている波長板によって与えられるリターデーションを
わずかに変えることが好ましい。
【０００５】
【発明の開示】
本発明は、波長板によるリターデーションを測定する方法及びそのための実用
的な装置に向けられる。本発明に係る装置は、光学装置に光弾性変調器を用い、
高感度を提供する。本発明に係る方法による分析は、品質管理検査に特に好適で
ある。
【０００６】 本発明に係る装置は、また、所定の光学装置の波長板（又は、他のリターダー
・デバイス）によって与えられるリターデーションをわずかに変化させることに
も、好適である。このような波長板によって与えられるリターデーションの「微
調整」は、高精度の分析に有用である。最後に、波長板の位置は、波長板が与え
るリターデーション値のふさわしい精確な調整を導入するために精確に変更可能
である。
【０００７】 本発明は、さらに、リターデーション測定のエラーを意図されたとおりに補償
することを可能にするために精巧となっている。そのようなエラーは、装置に組
み込まれた光弾性変調器の光学素子に存在する静的複屈折に起因する可能性があ
る。
【０００８】
【発明を実施するための最良の形態】
図１は、本発明を実施するための、光学装置１０と、これに関係する信号処理
装置１２とを示している。光学装置１０は、偏光されたヘリウム・ネオン・レー
ザーを光源１４として含む。この光源は、６３３ナノメーター（ｎｍ）の光波長
用に設計された波長板の精確さの測定に有用である。
【０００９】 別の光源１６は、別の波長たとえば９００ｎｍ用に設計された波長板の試験を
する場合に用いられる。この光源は、タングステン・ハロゲン白熱灯であってよ
い。波長の選択は、後述の検知器３２の直前に狭帯域フィルター３０を配置する
ことによりなされる。９００ｎｍ用として好適なフィルターは、コネチカット州
ストラフォード（Strafford）のオリエル・インスツルメンツ（Oriel Instrumen
ts）社製のモデルNo.57710が入手可能である。これの代わりに、異なる波長のレ
ーザーを用いてもよい。
【００１０】 可動ミラー１８は、利便上、光源１４，１６間の容易な切り替えを可能にする
ために、２つの光源１４，１６間に配置されている。この可動ミラーは、次に説
明するように、光学装置の後続要素に光を指向させる。この実施例では、この後
続要素は垂直な一直線上に配列されている。
【００１１】 光源からの光線は、基準軸に対して＋４５度の方向に向けられた第１偏光子２
０に入射するよう指向される。この偏光子として、グラン・トムソン方解石偏光
子が好ましい。
【００１２】 第１偏光子２０から出射した偏光は、光弾性変調器の光学素子（光学要素）に
入射される。この実施例では、光弾性変調器（以下、「ＰＥＭ」という。）は、
オレゴン州ヒルズボロのハインズ・インスツルメンツ（Hinds Instruments）社 製のモデルI/FS50である。この光弾性変調器の光学素子は、米国特許第５，６５
２，６７３号に説明されているように、変調された干渉効果を除去するために対
向面の間に１度のくさび角を含む。レーザー１４は、ＰＥＭに投射される光の強
度を制御すべく回転されるようになっている。
【００１３】 制御器３４は、ＰＥＭ２２の光学素子に発振複屈折を加える。発振複屈折は、
ＰＥＭを通って伝播する偏光の互いに直交する成分間に位相差をもたらす。どの
ような時点においても、この位相差は、ＰＥＭによってもたらされるリターデー
ションであり、時間の関数であることに加えて、ＰＥＭの光学素子の厚さ及び二
つの互いに直交する軸での屈折率にも依存する。このリターデーションは、ナノ
メータや波長のような長さの単位において測定可能である。
【００１４】 ＰＥＭ制御器３４は、ＰＥＭによってもたらされるリターデーションの大きさ
を変えることができるように、調整可能である。身近な例として、リターデーシ
ョンの大きさは、この説明のために４分の１波の波長板とした説明用の波長板２
６の大きさに合致するよう選択される。すなわち、波長板２６によってもたらさ
れるピーク・リターデーションは、波長板２６を通過する光の波長の４分の１と
なるよう特定されている。ＰＥＭは、その軸の方向が０度に合わせられている。
【００１５】 説明用の波長板２６（以下、「主題波長板」ということもある。）は、波長板
２６に到達するよう光をＰＥＭから放射可能にするために中央開口２５を有する
ターンテーブル２４に配置されている。好適なターンテーブルの一つに、カリフ
ォルニア州イルバインのニューポート・コーポレーション（Newport Corporatio
n）社製の波長板／偏光子ホルダーGM-1 Rがある。これは、５回転／ｍｉｎの感 度を有しかつ３６０度回転する特徴を有する。
【００１６】 波長板２６から放射した光は、−４５度の方向に向けられた軸を有する別のグ
ラン・トムソン偏光子を通過する。このようにして光は検知器３２に到達する（
ここで、レーザー光源１４を用い、フィルター３０は装置から離されていると仮
定する。）。
【００１７】 検知器３２は、同じく光学装置１０の中に取り付けられた密結合相互インピー
ダンス前置増幅器を用いたＰＩＮ型シリコン光伝導型の検知器である。検知器の
出力信号処理を調べる前に、主題波長板２６によりもたらされるリターデーショ
ンと検知器に到達する光の強度との間の時間依存の関係を明らかにすることは有
用である。適切な式は、次の式(１)で表すことができる。
【００１８】
【数１】 I(t)=[KIo/2][1 - cos(B + Ao cos(Ωt)]………(１)
【００１９】 ここに、式(１)中の符号は以下の通りである。
【００２０】 Ｉ＝検知器３２での光の強度
【００２１】 Ｉ0＝ＰＥＭ２２に入射する直線偏光の強度
【００２２】 Ｋ＝別の偏光子２８によって排除された光を含む伝送損失を計算する因
子
【００２３】 Ａ0＝ラジアン表記のＰＥＭのリターデーションの大きさ、
【００２４】 Ω＝２πで、ＰＥＭ発振の角周波数
【００２５】 Ｂ＝ラジアン表記の波長板のリターデーション
【００２６】 フーリエ級数の式(１)を展開すると、フーリエ級数の第１及び第２調和項に対
し、次のような式(２)及び(３)となる。
【００２７】
【数２】 If = KIo sin(B)J1(Ao)………(２)
【００２８】
【数３】 I2f = KIo cos(B)J2(Ao)………(３)
【００２９】 この２つの式は、測定に用いられる光の波長について、０と半波との間のリタ
ーデーションの決定に対し十分である（このような波長板は、「ゼロ次波長板」
と呼ばれる。）。式(２)及び(３)から、三角関数因子（ｓｉｎ又はｃｏｓ）が１
より極めて小さい式を選択しなければならない。
【００３０】 ゼロ次の主題波長板の設定波長を有する光源を用いて、この４分の１波板２６
の等式は、次の式(４)で表すことができる。
【００３１】
【数４】 Bq=cot-1[{I2fJ1(Ao)}/{I1fJ2(Ao)}]………(４)
【００３２】 ２分の１波板が主題波長板として用いられている場合においては、リターデー
ションは次の式(５)のように示される。
【００３３】
【数５】 Bh=tan-1[{I1fJ2(Ao)}/{I2fJ1(Ao)}]………(５)
【００３４】 前述の式(４)及び(５)において、項Ｊ1及びＪ2は、それぞれ、第１次及び第２
次ベッセル関数である。Ｊ1かＪ2のどちらかをゼロに近くする値を避ける場合を
除いて、ＰＥＭの大きさは無制限である。
【００３５】 検知器３２からの信号出力を処理するための構成部材は、二つのロック・イン
増幅器３６，３８を用いた信号修正装置を含む。その一つ３６は、マサチューセ
ッツ州のイー・ジー・アンド・ジー（EG&G）社製のモデルNo. PAR 5105であり、
ＰＥＭの周波数ｆにおける信号成分の検知を十分なものとする。この周波数は、
参照信号としてＰＥＭ制御器によって、ライン４２を経てロック・イン増幅器３
６，３８に供給される。
【００３６】 やや高い感度を有するロック・イン増幅器３８は、強い１ｆ信号の存在が２ｆ
信号を圧倒する傾向がある限りは、第２次調和成分２ｆを抜き取る用に用いられ
る。イー・ジー・アンド・ジー社製のモデルPAR 5302は、この目的のために用い
てもよい。２つの増幅器３６，３８の相対的な感度は、両ロック・イン増幅器を
同時に用いて強い１ｆ信号を測定することにより決められる。
【００３７】 二つのロック・イン増幅器に代わるものは、Ｉ1fとＩ2fとを連続的に測定する
ためのコンピュータ制御に基づく単一のロック・イン増幅器用いることである。
【００３８】 式(４)は、さらに実用的な形式で書かれてもよく、ＡＣ成分について、検知器
の出力に関する第１及び第２調和信号Ｖ2fとＶ1f（関係 tan-1 + cot-1 =π/2を
用いて）、次の式(６)で表すことができる。
【００３９】
【数６】 B(radians) = [π/2] -tan-1[{J1V2f}/{J2abs[V1f]}]………(６)
【００４０】 ロック・イン増幅器を準備するために、自動位相操作が、装置に波長板２６を
用いることなく２ｆの増幅器３８上で行われる。それから、波長板２６はＰＥＭ
軸におよそ平行に波長板２６の速い軸に位置し、自動位相操作が１ｆのロック・
イン３６で行われる。
【００４１】 増幅器３６，３８からのＤＣ信号は、式（６）に一致するリターデーションＢ
を計算するためのコンピュータ・ワークステーション４０に供給される。この点
について、波長板２６はターンテーブル２４に配置され、ターンテーブル２４は
回転される。コンピュータ４０は、受信した２ｆ信号の値（Ｖ2f）をターンテー
ブル回転の各間隔で記録し、Ｖ2fの最大絶対値を確認する。最小の正値Ｖ2f信号
（又は、最大の負値Ｖ2f信号）は、波長板の複屈折軸（速い又は遅い）の一つが
ＰＥＭの軸に平行に方向づけられているとき、受け入れられる。正値Ｖ2fは、波
長板のリターデーションが４分の１波（現在の主題波長板）より小さいことを示
す。もし、負値である場合には、主題波長板のリターデーションは、４分の１波
より大きい。
【００４２】 上述の自動位相操作は、波長板の検知された複屈折軸が速いか遅いかを決める
ための符号規定を確立する。したがって、もし、検知されたＶ1f信号の代数上の
符号が正であるならば、それは、ＰＥＭの軸に平行な波長板の速い軸である。も
し、検知されたＶ1f信号の代数上の符号が負であるならば、それは、ＰＥＭの軸
に平行な波長板の遅い軸である。
【００４３】 次の式(７)は、真の４分の１波（この例において）のリターデーションからの
実測のリターデーションの偏差を記載するのに便利である。リターデーションＢ
又は偏差△は、λ／２πを乗ずることにより、ナノメータのような長さの単位で
表現してもよい。
【００４４】
【数７】 Δ = -tan-1[{J1V2f}/{J2abs[V1f]}]………(７)
【００４５】 前述の処理は、記述のとおり、コンピュータ４０によって遂行される。さらに
、ターンテーブル２４は、コンピュータが測定処理の間にターンテーブルの回転
を制御する適切なドライバーにより供給されるステップモータ装置に接続されて
もよい。
【００４６】 選択的に、受信Ｖ2f信号の視覚的表示を提供するため、コンピュータ・モニタ
ーを用いてもよい（これにより、Ｘ値が目的の信号であり、ロック・イン増幅器
がＸ−Ｙ形式で出力を提供するよう供されることが可能である。）。操作者は、
信号がコンピュータ・モニター上に観察されるように、ターンテーブルを手動で
回転させることができる。
【００４７】 光の１波長λ1を用いた波長板のリターデーションの測定は、互いに直交する 複屈折指数の相違すなわち差（ｎx−ｎy）が光の波長の関数として精確に知られ
ている別の波長λ2でのリターデーションを計算するのに使われてよい。
【００４８】 多くの波長板は、「多重次」にて作られている。すなわち、複数の波における
波長板の実際のリターデーションは、次の式(８)の形で示される。
【００４９】
【数８】 B(waves) = n + Bnominal(waves)………(８)
【００５０】 クォーツは、このような波長板の製作に好適な固有の複屈折を有する物質であ
る。
【００５１】 たとえば、１０−１／４波（多重次）のリターデーションを有する波長板と１
／４波のリターデーションを有する波長板とは、多くの光学装置に同一の結果を
与える。単次波長板に関して上述した方法は、もし波長板の厚さと（ｎx−ｎy）
対λとが既知であれば、多重次波長板の測定に広げることができる。（厚さは、
マイクロメーターのような機械的手段によって測定可能である。）選択的に、２
つの異なる光の波長を用いた波長板のリターデーションの測定は、あいまいさを
有することなく実際の（多重次）リターデーションを計算するために必要な情報
を提供するであろう。
【００５２】 上述したように、前述の装置と信号処理とは、製造された波長板の品質管理検
査をするために特に受け入れられる。さらに、非常に精確に決定された波長板の
リターデーションを用いれば、波長板から放射する光のリターデーションを調整
することは好ましい（実験的な条件において）例となるであろう。上述した偏差
△を解消するための調整を行うことを望む。最後に、本発明は、上述のターンテ
ーブル２４の面を傾斜させることに関与する。この技術において知られているよ
うに、波長板（特に多重次波長板）のリターデーション特性は、波長板を通る光
の入射角に敏感である。好ましい実施例において、この感度は、たとえば、波長
板に到達する光の入射角を変化させることにより、ターンテーブル２４の測定さ
れた傾斜によって求められる。そのような動作は、波長板の性能を実際上矯正す
るために、たとえば偏差△がゼロになるまで実行される。
【００５３】 上述した装置のＰＥＭの使用は、波長板のリターデーションを測定する実際的
で効率的な方法を提供する。すでに記載したように、ＰＥＭの光学素子の発振複
屈折はこの目的に依存する。しかしながら、そのような素子は、測定のリターデ
ーションの対応する静的成分に加える小さな残余の又は静的な複屈折を有し、こ
れがエラーを引き起こす。本発明の別な面にあるように、このエラーは、次に記
述する補償技術によって除去される。
【００５４】 この補償技術は、ＰＥＭ２２のあとに波長板４４（図１の波線で示されている
）を配置することを含む。この波長板は、既知の半波長リターデーションを有し
、半波長板として参照される。この半波長板は、主題波長板２６が装置から移動
される間に、上述のターンテーブル２４のようなターンテーブルに取り付けられ
る。半波長板４４は、ロック・イン増幅器３６からのＶ1f信号が最小になるまで
回転される。次いで、半波長板４４は、信号がゼロになるまで傾斜される。これ
が、正確な大きさ及び角度でのＰＥＭと半波長板とのリターデーション網を確立
する。
【００５５】 今述べた正確になされた装置で処理する前に、前述の式(１)から(７)の妥当性
を維持するために、全体の動作を調整する必要がある。補償半波長板によって導
入された偏光効果により妥当性は失われる。この点について、光の直線偏光成分
は９０度を越えて回動され、円偏光成分の方向は反転されるであろう（たとえば
、右回り円偏光成分は左回り円偏光成分になる）。これらの効果の調整（すなわ
ち、それら式の妥当性の修復）は、９０度まで第２偏光子２８を回動させること
によって達成される。
【００５６】 今述べた補償や修正技術のために半波長板を用いる代わりに、全波長板を代用
することが考えられる。これは、上述した半波長板の偏光効果を避けるものであ
る。全波長板の使用は２軸の傾斜ターンテーブルを必要とし、全波長板はその傾
斜軸に平行な軸方向に取り付けられる。取り付けられた全波長板は、装置内で（
再び、主題波長板がない状態で）ＰＥＭ軸に平行な軸の一つの方向に位置される
。この配置において、小さなＶ1f信号とともに、大きなＶ2f信号が観察される。
全波長板は、Ｖ1fがゼロになるまで傾斜される。
【００５７】 次に、第２偏光子２８は−９０度に回動される。Ｖ2f信号は非常に小さくなる
か消失する。もし、Ｖ1fとＶ2fとがゼロであるならば、補償調整は完全である。
すなわち、ＰＥＭの静的リターデーションはＰＥＭの軸に平行である。もし、Ｖ 1f 及び／又はＶ2fがゼロでないならば、全波長板は、Ｖ2fがゼロになるまで回動
され、次いでＶ1fがゼロになるまで傾斜される。補償方法を完全にするために何
回かの繰り返しが必要である。
【００５８】 以上に本発明の好ましい実施例に関して述べてきたが、前述の教示や意図から
離れることなく種々の変更をすることができることは当業者により認識されるで
あろう。そのようなものとして、本発明は請求範囲及びそれと同等なものに定義
される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るリターデーション測定装置の好適な一実施例を示すブロック図
【符号の説明】
１０ 光学装置 １２ 信号処理装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA00 BB01 CC21 DD03 EE00 FF49 GG02 GG05 GG12 GG22 GG24 JJ18 LL22 LL33 LL35 LL36 NN08 PP13 QQ25 UU04 UU05 2G059 AA02 BB10 EE05 HH01 HH02 JJ02 JJ19 JJ20 KK01 NN06 2G086 EE09

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複屈折を生起させる光学要素によってもたらされるリターデ
    ーションを測定する装置であって、 偏光光源であって光が当該偏光光源から経路に沿って伝播するように配置され
    た偏光光源と、 前記光源とは実質的に反対側の前記経路に配置された光検知器と、 光弾性変調器であって光が当該光弾性変調器の部分を通って伝播するように前
    記光源と前記検知器との間の前記経路に配置された光弾性変調器と、 光学要素であって前記光弾性変調器の部分を通って伝播する光が前記光検知器
    に入射すべく当該光学要素を通って伝播するように前記経路に回動可能に取り付
    けられ、当該光学要素のリターデーションが前記検知器に入射する光の強度に関
    係し、それにより前記検知器が前記強度の出力信号の表示をもたらす光学素子と
    を含む、リターデーション測定装置。
  2. 【請求項２】 さらに、前記光学要素のリターデーションの実測値を与えか
    つ該実測値を前記光学要素に関係する所定のリターデーションと比較すべく前記
    検知器の出力信号を処理する手段を含む、請求項１に記載のリターデーション測
    定装置。
  3. 【請求項３】 前記光学要素は第１波長板である、請求項２に記載のリター
    デーション測定装置。
  4. 【請求項４】 さらに、前記実測値を変化させるべく前記第１波長板を選択
    的に傾斜させるように前記第１波長板を取り付ける手段を含む、請求項３に記載
    のリターデーション測定装置。
  5. 【請求項５】 前記光弾性変調器は静的複屈折を生起させ、当該リターデー
    ション測定装置は、さらに、前記光弾性変調器と前記第１波長板との間に回動可
    能に取り付けられた第２波長板であって前記光弾性変調器の静的リターデーショ
    ンを補償すべく調整可能の第２波長板を含む、請求項３に記載のリターデーショ
    ン測定装置。
  6. 【請求項６】 さらに、前記第２波長板を選択的に傾斜させるように前記光
    学経路に前記第２波長板を取り付ける手段を含む、請求項５に記載のリターデー
    ション測定装置。
  7. 【請求項７】 光学要素によってもたらされるリターデーションを測定する
    ための光学装置を作動させる方法であって、 光源から放射された偏光された光の経路に前記光学要素を回動可能に取り付け
    る工程と、 光が光弾性変調器を通りかつ前記光学要素を通って伝播するように前記光源と
    前記光学要素との間の前記経路に前記光弾性変調器を配置する工程と、 前記光弾性変調器を通過する光にリターデーションをもたらすべく前記光弾性
    変調器を制御する工程と、 前記光学要素によってもたらされたリターデーションと前記光弾性変調器によ
    ってもたらされたリターデーションとの間の相違を決定すべく前記光学要素を通
    過する光を処理する工程とを含む、リターデーション測定用光学システムの作動
    方法。
  8. 【請求項８】 さらに、前記光弾性変調器に現れる静的リターデーションを
    補償する工程を含む、請求項７に記載の作動方法。
  9. 【請求項９】 前記補償する工程は、回転可能に取り付けられた波長板を前
    記システムの前記光弾性変調器と前記光学要素との間に導入することを含む、請
    求項８に記載の作動方法。
  10. 【請求項１０】 前記補償する工程は、前記システムの前記光弾性変調器と
    前記光学素子との間に導入された波長板を選択的に傾斜させることを含む、請求
    項９に記載の作動方法。
  11. 【請求項１１】 前記導入する工程は、半波長板を導入し、該半波長板の偏
    光の影響を計ることを含む、請求項９に記載の作動方法。
  12. 【請求項１２】 前記導入する工程は全波長板を導入することを含む、請求
    項９に記載の作動方法。
JP2000504428A 1997-07-28 1998-07-24 光弾性変調器を用いる波長板リターデーションの測定方法及び装置 Pending JP2001511514A (ja)

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US60/053,890 1997-07-28
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