JP2002122477A

JP2002122477A - 測定装置

Info

Publication number: JP2002122477A
Application number: JP2000313024A
Authority: JP
Inventors: Reiko Kuroda; 玲子黒田; Youji Shindo; 洋爾神藤
Original assignee: Jasco Corp; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Jasco Corp; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2002-04-26
Anticipated expiration: 2020-10-13
Also published as: JP4010760B2

Abstract

(57)【要約】【目的】固体等のＬＤ，ＬＢが大きい試料であっても
確実にＣＤを測定することのできるＣＤ測定装置を提供
すること【構成】光源１から出射される光の光路上に分光器
２，偏光子３，偏光変調器４，試料を回転可能・反転可
能に保持する試料保持装置５，検光子６，検出器７を配
置し、その検出器７の出力を信号処理装置８に与える。
検出器からは、偏光変調器の変調周波数と２倍の周波数
成分が出力される。検光子を光路上に配置した状態で前
記試料を回転させ、基本変調周波数成分の最大位置から
４５度回転させ、試料を反転させ、検光子を前記光路外
に配置した状態で、試料の表面と裏面から光を照射した
時にそれぞれ得られた基本変調周波数に相当する周波数
成分を加えて２で割ることにより真のＣＤ値を算出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定装置に関する
もので、より具体的には試料が固体の場合のＣＤ（円二
色性）を測定したり、試料の光学的性質を判定すること
のできる測定装置に関する。

【０００２】

【発明の背景】よく知られているように、円二色性（Ｃ
Ｄ）は、発色団を持ち光学活性な物質が左右円偏光に対
して異なった吸収を示す現象をいう。円二色性（ＣＤ）
測定装置は、例えば、光源から出射される光の光路上に
モノクロメータ，偏光子，偏光変調器（ＰＥＭ），試
料，検光子，検出器を配置し、その検出器の出力を信号
処理装置に与えるようになっている。

【０００３】これにより、光源から出射される光がモノ
クロメータで単色光に変換され、さらにその単色光が偏
光子を透過することにより直線偏光になり、その直線偏
光は偏光変調器にてその偏光方向が交番的に変更され円
偏光と直線偏光が同時に形成される。そして、偏光変調
器から出射される光を試料に照射することにより、試料
の光学特性に応じて所定の光成分が吸収され出力される
ので、係る出力を検出器で受光する。検出器は、例えば
光−電気変換素子であり、受光した光強度に応じた電気
信号を出力するので、その出力信号（電気信号）に基づ
いて信号処理装置で所定の信号処理を行い、ＣＤを算出
するようになっている。

【０００４】試料が例えば液体の場合には、試料セルな
どの試料室内に供給した液体に対して光を照射すること
によりＣＤを測定するようになっている。試料室は各種
の形態があるが、何れも試料室自体は固定設置されてい
る。また、測定対象の試料が結晶，フィルムその他の固
体試料の場合には、試料台に試料を固定し、その試料表
面に光を照射するようにしている。

【０００５】しかし、本発明者の研究により、試料が固
体の場合には、上記した液体の場合と同様に測定する
と、正確な真のＣＤを求めることができないことがわか
った。これは固体試料が持つ巨視的な異方性により見か
けのＣＤ信号が検出されるためである。さらなる原因の
一つに、試料が持つ光学的性質の一つである光学的均質
性がある。

【０００６】すなわち、例えば、高分子フィルム等は、
光学的均質性を有する（均質）ものと、有さない（不均
質）ものがある。つまり、光学的に不均質な場合、試料
の表面側から光を照射した場合と、裏面側から光を照射
した場合では、測定結果が異なることがある。しかも、
同じ面でもその角度位置により異なる。

【０００７】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、固体の真のＣＤ値を求めることができる測定装置を
提供することにある。さらに、測定対象の試料が光学的
均質性を有するか否かの判断を行うことのできる測定装
置を提供することを他の目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る測定装置は、光源から出射される
光の光路上に、単色光を出射する分光器と、その単色光
を直線偏光させる偏光子と、その偏光子を透過した光の
偏光状態を所定の基本変調周波数で、右回りの円偏光，
左回りの円偏光に交番的に変化させると同時に２倍の基
本変調周波数で垂直・水平の直線偏光に交番的に変化さ
せる偏光変調器と、その偏光変調器から得られた光が入
射されるように試料を保持する試料保持装置と、その試
料保持装置を通過した光が通過する検光子を通過した光
の強度を検出する検出器と、その検出器の出力に基づい
て信号処理する信号処理部を備えた測定装置である。そ
して、前記検光子は、前記光路上と光路外に移動可能に
する。さらに、前記試料保持装置は、前記試料を回転可
能に保持するとともに、反転して前記試料の表面側と裏
面側のそれぞれから光を入射可能とする。前記信号処理
部は、前記検出器の出力信号のうち前記偏光変調器にお
ける変調周波数に相当する周波数成分及びその変調周波
数の２倍の周波数成分に基づいて信号処理するもので、
前記検光子を光路上に配置した状態で前記試料を回転さ
せ、基本変調周波数成分が最大位置となる角度位置を求
め、その求めた前記角度位置から前記試料を４５度回転
させた位置で、前記試料を反転させ、前記検光子を前記
光路外に配置した状態で、前記試料の表面から光を照射
した時に得られた前記変調周波数に相当する周波数成分
と、前記試料の裏面から光を照射した時に得られた前記
変調周波数に相当する周波数成分を得、それらを加えて
２で割ることにより真のＣＤ値を算出するようにする。

【０００９】そして本発明では、試料を回転可能に配置
する。この回転は、好ましくは自動的に行うか、少なく
とも試料保持装置に回転機構を設けて手動で回転させる
ことである。但し、本発明はこのように試料保持部に回
転機構を設けるのは必須ではなく、試料を試料保持装置
から取り外した後、再度取り付ける際に異なる回転角度
に取り付けることによっても、結果的に試料を回転させ
ることができるからである。

【００１０】また、別の解決手段としては、光源から出
射される光の光路上に、単色光を出射する分光器と、そ
の単色光を直線偏光させる偏光子と、その偏光子を透過
した光の偏光状態を所定の基本変調周波数で、右回りの
円偏光，左回りの円偏光に交番的に変化させると同時に
２倍の基本変調周波数で垂直・水平の直線偏光に交番的
に変化させる偏光変調器と、その偏光変調器から得られ
た光が入射されるように試料を保持する試料保持装置
と、その試料保持装置を通過した光の強度を検出する検
出器と、その検出器の出力に基づいて信号処理する信号
処理部を備えた測定装置である。そして、前記試料保持
装置は、前記試料を反転して前記試料の表面側と裏面側
のそれぞれから光を入射可能とする。前記信号処理部
は、前記検出器の出力信号のうち前記偏光変調器におけ
る変調周波数に相当する周波数成分に基づいて信号処理
するもので、前記試料の表面から光を照射した時に得ら
れた前記変調周波数に相当する周波数成分Ｆと、前記試
料の裏面から光を照射した時に得られた前記変調周波数
に相当する周波数成分Ｂを求める。Ｆ＝−Ｂならば前記
試料は光学的に均質と判断し、Ｆ＝−Ｂでないならば前
記試料は光学的に不均質と判断する機能を備えるように
した。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施の形
態である真のＣＤを測定する測定装置の一例を示してい
る。同図に示すように、光源１から出射される光の光路
上に分光器（モノクロメータ）２，偏光子３，偏光変調
器４，試料保持装置５，検光子６，検出器７を配置し、
その検出器７の出力を信号処理装置８に与えるようにな
っている。

【００１２】これにより、光源１から出射される光が分
光器２で単色光に変換され、さらにその単色光が偏光子
３を透過することにより直線偏光になり、その直線偏光
は偏光変調器４にてその偏光方向が交番的に変更され円
偏光と直線偏光が同時に形成される。そして、偏光変調
器４から出射される光を試料保持装置５に取り付けられ
た試料に照射すると、試料内を透過する際に複屈折を生
じて出力されるので、これを検光子６によって光の強度
に変えて検出器７で受光する。検出器７は、例えば光−
電気変換素子であり、受光した光強度に応じた電気信号
を出力するので、その出力信号（電気信号）に基づいて
信号処理装置８で所定の信号処理を行い、ＣＤを算出す
るようになっている。

【００１３】分光器２としては、偏光に対して悪影響の
少ないプリズム分光器が望ましいが、回折格子を用いた
分光器でもかまわない。また、偏光子３，検光子６とし
ては、通常グラントムソンプリズムを使用することが好
ましい。偏光子３としてより完全を期するため、ブリュ
ースター角に石英板をおいた偏光子を併用してもよい。
また、結晶プリズムを使用し、分光器と偏光子を兼用し
てもよい。

【００１４】なお、グランテーラープリズムは方解石を
使っているので２３５ｎｍ以下の波長は測れないが、本
発明のように、液晶やフィルムその他の固体等のＣＤを
測ろうとする場合には可視域を注目しているので十分適
用できる。

【００１５】偏光変調器４は、例えばＰＥＭを用いるこ
とができる。ＰＥＭに対する変調周波数は、５０ｋＨｚ
とする。良質のＰＥＭの場合、残留歪み量αは０．１度
から０．０１度くらいの小さなものであり、この様なＰ
ＥＭを用いることにより、ＬＤ，ＬＢに起因する見かけ
のＣＤをできる限り小さくする。従って、ポッケルスセ
ルのように残留歪みが１０度と大きいものはあまり好ま
しくはない。もちろん、係るポッケルスセルを本発明の
範囲から積極的に除く意図はなく、仕様・要求に応じて
使うのはかまわない。なお、偏光変調器４の基準位置は
試料を設置しない状態で、装置のベースラインがまっす
ぐになるような位置に設定する。

【００１６】試料保持装置５は、照射される光の光路と
直交する平面内で試料Ｓをその光路回りに回転させるこ
とができるようにしている。一例としては、試料Ｓを保
持するホルダを回転自在に取付台に設置し、そのホルダ
をステッピングモータなどの回転角度を制御可能なモー
タの回転出力を受けて、任意角度で回転し停止するよう
に構成することである。この場合に、その回転角の制御
を、信号処理回路８からの制御信号に基づいて行うよう
にすると良い。また簡易的には、手動で回転させること
ができるようになっていても良い。

【００１７】さらに、試料保持装置５は、試料Ｓの表裏
を簡単に取り替える（反転する）ことができるようにな
っている。つまり、上記した試料Ｓのホルダは、取付台
に対して着脱自在に装着されるようになっており、例え
ば試料Ｓを保持した状態のままホルダを取り外し、裏返
してホルダを取付台に装着することができ、これによ
り、試料Ｓの表面側と裏面側のそれぞれに対して光を照
射することが可能となる。なお、この試料保持装置５の
具体的な構成は、後述する。

【００１８】さらにまた、検光子６も回転可能となり、
光軸の角度（特に、偏光子３の光軸との角度等）を変更
・調整することができるようにしている。また、検光子
６の基準位置（角度）を正確に設置するためには、試料
保持装置５内に試料を入れない状態でのベースラインが
ゼロになるように検光子６の角度を決めることで達成で
きる。しかも、この検光子６は、可動式となっており、
光路上に位置させて試料Ｓを通過した光が照射可能な状
態と、光路から離脱し、試料Ｓを通過した光が直接次段
の検出器７に入射する状態を採ることができる。

【００１９】検出器７は、ＣＤ信号が微小であるため、
例えば、光電子増倍管（ＰＭＴ）のように高感度な検出
器を用いるのが好ましい。そして、検出器７からは、変
調周波数と同一の５０ｋＨｚ成分と、その２倍波の１０
０ｋＨｚ成分が出力されるようになっている。そして、
５０ｋＨｚ成分に基づいてＣＤが求められる。

【００２０】さらに、検出器７からの出力信号は、ＣＤ
は微小な信号なので、実際には同期検波法を用いる。つ
まり、実際には検出器７の出力を周波数成分を取り出す
ためのロックインアンプに接続し、そのロックインアン
プから出力される所定周波数の信号成分を信号処理装置
８に与えるようになる。なお、信号処理装置８の範疇に
ロックインアンプを含めて考えてもよい。

【００２１】また、信号処理装置８は、後述する手順に
従って検出器７からの出力信号に基づいて演算処理する
機能と、各種の装置に対して制御信号（試料保持装置５
に対する回転角の制御命令等）を出力する機能を有する
ようにしている。

【００２２】次に、測定の手順・原理について説明しつ
つ、信号処理装置８の機能を説明する。本測定装置によ
り得られる信号をミュラー行列を用いて理論的に解析す
ると以下のようになる。すなわち、単色入射光Ｉ_ｉｎ，
偏光子Ｐ，偏光変調器Ｍ，試料Ｓ，検出器Ａ，検出器Ｄ
のミュラー行列は、次のように与えられる。なお、上記
した如く、光変調器４として、ＰＥＭを用いているの
で、 ωｍ＝５０ｋＨｚである。

【００２３】

【数１】

【００２４】

【数２】

【００２５】ここでθは、試料のｘ軸からの回転角であ
る。また、ＬＤはＸ―Ｙ方向直線二色性，ＬＢはＸ―Ｙ
方向直線偏光複屈折，ＬＤ′は４５度方向直線二色性，
ＬＢ´は４５度方向直線偏光複屈折である。

【００２６】

【数３】

【００２７】ここで、Ｐ_ｘ ^２，Ｐ_ｙ ^２，ａは、Ｘ軸，ｙ
軸，検出器７のＸ軸に対する方位角である。そして、検
出器７で受光される光の強度Ｉｄは、上記したＤ，Ｓ，
Ｍ，Ｐ，Ｉ_ｉｎの行列演算を行うことにより、次のよう
に与えられる。

【００２８】

【数４】

【００２９】そして、ｓｉｎ（δ＋α），ｃｏｓ（δ＋
α）は、フーリエ変換すると近似的に下記式のように展
開できる。

【００３０】

【数５】

【００３１】ここで、Ｊ_０（δ_０m ），Ｊ_１（δ_０m
），Ｊ_２（δ_０m ）は、それぞれ０次、１次、２次の
ベッセル関数である。エアブランク（ＡｉｒＢｌａｎ
ｋ）に対しては、ＣＤ＝ＣＢ＝ＬＤ＝ＬＤ′＝ＬＢ＝ＬＢ′＝０となるので、光の強度を示す式（６）は、下記式（９）
のようになる。

【００３２】

【数６】

【００３３】そして、上記式（９）は、下記式のように
展開できる。

【００３４】

【数７】

【００３５】さらに、検出された電気信号は、直流成分
（ｄｃ成分）と、基本周波数成分（ωm成分）と、２倍
高調波成分（２ωm）よりなり、下記に示す比例式によ
り表される。

【００３６】

【数８】

【００３７】

【数９】

【００３８】

【数１０】

【００３９】一方、測定装置である固体ＣＤ分光計のＣ
Ｄ信号として出力される信号は、ＣＤｒ＝Ｖ_ａｃ（ωｍ）／Ｖ_ｄｃで、Ｖ_ｄｃが一定になるように制御される。そこで、式
（１２）で表される基本周波数信号（ωｍ信号）は、Ｃ
Ｄベースラインのシフト量であり、式（１３）で表され
る２倍高調波信号（２ωｍ信号）は、ＬＤベースライン
のシフト量である。従って、上記した式（１２），（１
３）は、固体ＣＤ分光計（測定装置）の性能を示してい
るといえる。また、Ｒ（２ωｍ）信号は、基本周波数成
分を検出するためのロックインアンプの２倍高調波応答
性，Ｒ（ωｍ）信号は、２ωｍ成分を検出するロックイ
ンアンプの１／２高調波応答性である。

【００４０】これらのことから、固体ＣＤ分光計の性能
は、（１）使用するロックインアンプの高調波応答性（２）使用されるＰＥＭの残留歪み量α （３）使用される検出器（光電子増倍管）の偏光特性に依存していることがわかる。

【００４１】そこで、５０ｋＨｚ用ロックインアンプに
は、２倍高調波成分である１００ｋＨｚの信号を除去す
る回路を組み込み、１００ｋＨｚ用ロックインアンプに
は、基本周波数波成分である５０ｋＨｚの信号を除去す
る回路を組み込むようにする。これにより、５０ｋＨｚ
用ロックインアンプでは、２ωｍ信号成分が０に近似で
き、１００ｋＨｚ用ロックインアンプでは、ωｍ信号成
分が０に近似でき、さらに、光変調器に残留ひずみ量α
の小さいＰＥＭを用いているので、ｃｏｓα＝１と近似
できる。よって、上記した式（１１），式（１２）は、
それぞれ下記式（１４），式（１５）に示すように近似
できる。

【００４２】

【数１１】

【００４３】この式から、１００ｋＨｚのベースライン
シフトは、使用する光電子増倍管の偏光特性に反映され
ることがわかる。さらに、式（６）からωｍ信号は、下
記式（１６）で表すことができる。

【００４４】

【数１２】

【００４５】この式（１６）から、Ａ_ｐｐＣＤは、Ｌ
Ｄ，ＬＢ，ＰＥＭの残留歪み並びに光電子増倍管の偏光
特性に大きく依存することがわかる。さらに、光の吸収
が起こらない領域では、ＣＤ＝ＬＤ＝ＬＤ′＝０となる
ので、式（１６）は、下記式（１７）のように近似でき
る。

【００４６】

【数１３】

【００４７】従って、固体の試料ＳとＰＥＭの持つＬＢ
と、光電子増倍管の偏光特性に起因する見かけのＣＤが
存在することがわかる。特に、試料Ｓが結晶の場合、大
きなＬＢを持つので、検出器７として偏光特性の小さ
い光電子増倍管を選ぶこと、及びＰＥＭを駆動させた
状態で、そのＰＥＭ残留歪み量αを測定することが、最
終的に真のＣＤを測定するための重要な要素となる。偏光特性の小さい光電子増倍管の選び方式（１５）はＬＤベースラインを表しており、下記式
（１５−１）が成り立っている。

【００４８】

【数１４】

【００４９】上記した式（１５−１）中において、光電
子増倍管の偏光特性をあらわす因子（Ｐ_ｘ ^２−Ｐ_ｙ ^２）
と、その光電子増倍管の光軸からの方位角ａは、波長に
よって変化する。そして、式（１５−１）から明らかな
ように、２００ｎｍから７００ｎｍ間でのＬＤベースラ
インを多数の光電子増倍管について測定し、その中で前
波長領域に渡って最もベースラインシフトの小さいもの
を選ぶと良い。さらに、選択した光電子増倍管を測定装
置に装着するとともに回転させ、ｃｏｓ２ａが最も小さ
くなる角度位置を見つけ、その位置に固定する。

【００５０】なお、式（１４）は、ＣＤベースラインシ
フトを表しており、その信号レベルは、ＬＤベースライ
ンシフトと比べてｓｉｎα分だけ小さくなる。また、式
（１４）と式（１５）を比較すると、ＬＤベースライン
が最も小さくなる位置で、ＣＤベースラインも最小とな
ることがわかる。従って、上記した光電子増倍管の回転
角度位置の特定は、２ωｍ（１００ｋＨＺ）信号の出力
をモニターしながら行うと、より精度良く行える。駆動状態のＰＥＭの残留歪み量αの測定図１に示す光学部品の配置において、検光子６を偏光子
３に対してクロスの状態にセットする。このときの検光
子６のミュラー行列は、下記式のように表せる。

【００５１】

【数１５】

【００５２】エアーブランクに対して、光電子増倍管に
おける光の強度Ｉｄは、Ｄ，Ａ，Ｍ，Ｐ，Ｉ_ｉｎの行列
計算から、下記式（１８）で表せる。

【００５３】

【数１６】

【００５４】また、基本周波数（５０ｋＨｚ）のωｍ信
号は、式（１９）のようになる。

【００５５】

【数１７】

【００５６】上記した式から明らかなように、ωｍ信号
の大きさはｓｉｎαに比例し、ＰＥＭの残留歪み量αが
小さいほど、ωｍ信号も小さくなる。よって、複数個の
ＰＥＭを用意し、それぞれ実際に駆動させ、その駆動状
態におけるωｍ（５０ｋＨｚ）を測定し、その出力が最
も小さいＰＥＭを選ぶと良い。一方、式（６）から２ω
ｍ（１００ｋＨｚ）信号は、式（２０）のように表すこ
とができる。

【００５７】

【数１８】

【００５８】そして、ＰＥＭの残留歪み量αが０．１度
以下のものを用いると、ｓｉｎαは十分小さいといえる
ので、上記した式（２０）は、下記式（２１）に示すよ
うに近似できる。

【００５９】

【数１９】

【００６０】さらに、光の吸収が起こらない領域では、
ＣＤ＝ＬＤ＝ＬＤ′＝０となるので、式（２１）は、下
記式（２２）のように近似できる。

【００６１】

【数２０】

【００６２】よって、ＬＢに起因する見かけ上のＬＤ，
Ａ_ｐｐＬＤが存在することがわかる。特に、大きなＬＢ
を持つ結晶試料の場合には、顕著に現れる。そこでま
ず、結晶試料は、厚さを１ｍｍ程度に設定する。

【００６３】一般に結晶試料のＬＤは、ＬＢに比べて１
０^−１のオーダーで小さく、ＣＤ，ＣＢもＬＤに比べて
１０^−２〜１０^−３程度オーダーで小さい。よって、そ
のままでは、大きなＬＢ，ＬＤの存在によってＣＤを検
出するのが困難となる。そこで、ＰＥＭの残留歪み量α
が小さいとすると式（１６）より、下記式（２３）を得
る。

【００６４】

【数２１】

【００６５】さらに、ＣＤベースラインが最小になるよ
うな位置に光電子増倍管の方位角がセットされているの
で、ｃｏｓ２ａは０に近似でき、ｓｉｎ２ａは１に近似
できる。従って、式（２３）のＡ_ｐｐＣＤは、下記式
（２３−１）となる。

【００６６】

【数２２】

【００６７】この式（２３−１）から、真のＣＤと１／
２（ＬＤ′ＬＢ−ＬＤＬＢ′）に起因する見かけ上のＣ
Ｄ成分は、試料の回転に依存しないが、ＬＤとＰＥＭの
残留ひずみとのカップリング，光電子増倍管の偏光特性
とＬＢとのカップリングに起因する見かけ上のＣＤ成分
は、試料の回転に依存することがわかる。そこで、本形
態では、試料を回転可能に保持し、回転させながら各種
データを測定し、それに基づいて真のＣＤを算出するよ
うにした。

【００６８】また、何回も言うが、結晶試料の場合に
は、ＬＢが大きい。従って、ＬＢに起因するＡ_ｐｐＣＤ
はかなり大きくなる。そこで、ωｍ（５０ｋＨｚ）信号
として観測されるＡ_ｐｐＣＤから真のＣＤを求めるた
め、以下のような手順に従って測定する。＊測定手順測定対象の結晶試料を、ホルダにセットするとともに
取付台に回転自在にセットする。このとき、試料の照射
面は、入射光に垂直になるようにする。また、検光子は
セットしない。この状態で、ωｍ（５０ｋＨｚ）信号
と、２ωｍ（１００ｋＨｚ）信号を２台のロックインア
ンプを用いて波長をスキャンしながら測定する。これに
より、ωｍ信号からＡｐｐＣＤを得、２ωｍ信号からＬ
Ｄスペクトルを得る。

【００６９】ＬＤスペクトルのピーク波長に波長をセ
ットする。次いで、試料を回転させながらＬＤスペクト
ルの変化を測定し、ＬＤが最大になる角度位置で試料の
回転を停止する。このとき、式（２１）は、式（２４）
のようになる。

【００７０】

【数２３】

【００７１】ここで、ＬＤ_ｍａｘ＝（ＬＤ^２＋ＬＤ′^２）^１／２ γ＝ｔａｎ^−１（ＬＤ′／ＬＤ）ｃｏｓ（２θ＋γ）＝０度または１８０度のときに、ＬＤ信号が最大となる。

【００７２】次に、この最大となった回転角度位置で試
料を保持したまま波長を再度スキャンさせ、Ａ_ｐｐＣＤ
と、ＬＤ_ｍａｘを測定する。このとき、ＬＤ_ｍａｘは、
ＬＤ′_ｍａｘ＝０となるので、上記した式（２３−１）
は、式（２３−２）のようになる。

【００７３】

【数２４】

【００７４】ＡppＣＤのピークに波長をセットする。
次いで、試料を回転させながらＡ_ｐ _ｐＣＤスペクトルの
変化を測定する。このとき、Ａ_ｐｐＣＤの値が回転とと
もに変化する場合には、Ａ_ｐｐＣＤにＬＤとＬＢが寄与
しているといえる。そして、変化の程度が大きいほど、
ＬＤとＬＢの寄与も大きい。つまり、変化の程度から、
Ａ_ｐｐＣＤにＬＤとＬＢがどれくらい寄与しているかが
わかる。

【００７５】次いで、光の吸収がない波長で試料を回転
させながらＡ_ｐｐＣＤスペクトルを測定する。このと
き、Ａ_ｐｐＣＤが２θで変化すると、Ａ_ｐｐＣＤにＬＢ
が大きく寄与していることがわかる。

【００７６】次に、検光子６を図２に示す状態にセッ
トする。つまり、検光子６を光路上に配置する。このと
きの検出器（光電子増倍管）７で検出する光の強度Ｉｄ
は、Ｄ，Ａ，Ｓ，Ｍ，Ｐ，Ｉ_ｉｎの行列計算により、式
（２５）のように与えられる。

【００７７】

【数２５】

【００７８】使用する検光子が理想的な場合には、エア
ブランクに対しては、Ｉｄ＝１／４Ｉ_０となるので、ωｍ（５０ｋＨｚ）信号並びに２ωｍ（１
００ｋＨｚ）信号は存在しない。しかし、実際には、使
用されるカルサィト・グラム・テラープリズムにはわず
かにＬＢとＣＢが存在するので、上記下２つの信号もわ
ずかに出現し、ベースラインシフトとして現れる。よっ
て、使用するプリズムは、高性能でできるだけＬＢ，Ｃ
Ｂが存在しないものが良い。

【００７９】そして、ωｍ（５０ｋＨｚ）信号は、下記
式（２６）のようになる。

【００８０】

【数２６】

【００８１】固体試料の場合には、上記したごとくＣＤ
はＬＢに比べて１０^−２から１０⁻ ^３小さいので、ＣＤ
は無視でき、検出される信号はＬＢである。よって、上
記した式（２６）は、式（２７）のようにみなすことが
できる。

【００８２】

【数２７】

【００８３】なお、ＣＤ信号がＬＤ信号と同じ大きさの
場合にのみ、観測される信号にＣＤの寄与が出現する。
そして、ＬＢが無視できるほどに小さいか、液体のよう
にＬＢが存在しない場合には、観測される信号は真のＣ
Ｄとなる。

【００８４】従って、検光子無しで測定したωｍ（５０
ｋＨｚ）信号が、真のＣＤであるか、Ａ_ｐｐＣＤである
かは、検光子有りで測定したωｍ（５０ｋＨｚ）信号と
比較し、両者が異なっている場合には、検光子無しで測
定したωｍ（５０ｋＨｚ）信号はＡ_ｐｐＣＤであり、検
光子ありで測定したωｍ（５０ｋＨｚ）信号は、ＬＢで
ある。

【００８５】そこで、検光子有りの状態で固体試料を回
転させながらωｍ（５０ｋＨｚ）信号つまりＬＢを測定
し、ＬＢが最大となる角度位置で固定し、その位置で波
長をスキャンしてＬＢ_ｍａｘスペクトルを測定する。次に、ＬＢ_ｍａｘの位置から正確に試料を４５度回転
させる。すると、式（２７）は、ＬＢ信号＝−Ｇ_３ＬＢ_ｍａｘｃｏｓ９０度＝０となる。すなわち、ＬＢ_ｍａｘ＝０となり、逆にＬＢ′
は最大（ＬＢ′_ｍａｘ）となる。

【００８６】試料をこの４５度回転させた角度位置に保
持し、光路から検光子６を除く。この状態で波長をスキ
ャンしてωｍ信号，２ωｍ信号、すなわち、Ａ_ｐｐＣ
Ｄ，ＬＤスペクトルを測定する。このとき、式（２３−
１）は、式（２８）に示すようになる。

【００８７】

【数２８】

【００８８】ここで、角度（η−γ）は、ＬＢ_ｍａｘを
与える角度とＬＤ_ｍａｘを与える角度との差である。そ
して、ｓｉｎ（η−γ）＜１なので、式（２８）におい
て、ＬＤ_ｍａｘｓｉｎ（η−γ）ｓｉｎαは、無視でき
るほど小さい。よって、式（２８）は、下記に示す式
（２８−１）のように近似できる。

【００８９】

【数２９】

【００９０】上記の操作により、結晶試料のように大き
なＬＢを持つものであっても、そのＬＤのＣＤ信号への
寄与と、光電子増倍管の偏光特性と試料のＬＢ間のカッ
プリングに起因する偽のＣＤを消去することができる。
そして、式（２８−１）で示されるＡ_ｐｐＣＤスペクト
ルを記録する。

【００９１】次いで、ＬＤＬＢ′_ｍａｘの寄与を除去す
る。すなわち、上記した結晶試料をｘ軸（縦軸）に対し
て正確に１８０度回転させる。つまり、試料の表裏を反
転し、今まで入射面（出射面）であったものが出射面
（入射面）になるようにする。

【００９２】すると、ＣＤ，ＬＤはこの回転によって符
号を変えないが、ＬＢ′_ｍａｘは符号が変わる（＋Ｌ
Ｂ′_ｍａｘ→−ＬＢ′_ｍａｘ）。そして、この反転した
状態で波長をスキャンしてＡ_ｐｐＣＤスペクトルを測定
する。なお、測定される信号は、式（２８−２）で求め
られる。

【００９３】

【数３０】

【００９４】そして、試料の表面に対して光を照射した
状態で測定して得られた（Ａ_ｐｐＣＤ）_ｆａｃｅと、試
料の裏面に対して光を照射した状態で測定して得られた
（Ａ _ｐｐＣＤ）_ｂａｃｋとを加算し、下記式（２９）を
得る。

【００９５】

【数３１】

【００９６】次いで、求めた値を２で割ると、真のＣＤ
が求められる次に、本形態に用いられる試料保持装置５の具体的な構
成について説明する。この試料保持装置５は、上記した
測定を容易に行えるようにするため、試料Ｓを３６０度
回転させたり、裏，表の切り替えを簡単に行えるように
したものである。

【００９７】まず、図３，図４に示すように、試料保持
装置５は、ベースプレート１０の上に、第１レンズＬ
１，第２レンズＬ２並びに検光子６用の各ホルダととも
に所定の位置関係で固定されている。そして、この試料
保持装置５は、ベースプレート１０の上面に起立配置さ
れた支持プレート１１と、その支持プレート１１に対し
て着脱自在に取り付けられるホルダ１２とから構成され
ている。

【００９８】支持プレート１１は、金属板からなり、ホ
ルダ１２の取り付け面、つまり、第１レンズＬ１側の面
に、円筒状の凹部１１ａが形成されており、その凹部１
１ａ内に円筒状のホルダ１２が挿入され保持されるよう
になる。また、凹部１１ａの中心には、支持プレート１
１の厚さ方向に貫通する貫通孔１１ｂが形成され、試料
Ｓ内を通過した光が、この貫通孔１１ｂを通って後段の
第２レンズＬ２に至る。

【００９９】ホルダ１２は、図５に拡大して示すよう
に、光路に沿って前後に２分割されており、それぞれ円
筒状の第１ホルダ要素１３と第２ホルダ要素１４を備え
ている。第１，第２ホルダ要素１３，１４は、その中心
軸に沿って貫通孔１３ａ，１４ａが形成され、両ホルダ
要素１３，１４を連結して一体化した際にはこの貫通孔
１３ａ，１４ａが同一直線上に繋がり、その内部を測定
用の光が通過するようになる。

【０１００】第１，第２ホルダ要素１３，１４は、互い
にネジ機構により簡単に結合／分離ができるようになっ
ている。すなわち、第１ホルダ要素１３の接合面には、
雌ネジ１３ｂが形成され、第２ホルダ要素１４の接合面
には雄ネジ１４ｂが形成されている。これにより、両ネ
ジ１３ｂ，１４ｂを結合することにより、図５（ｂ）に
示すように第２ホルダ要素１４の接合面側の一部が第１
ホルダ要素１３の接合面側内に挿入した状態で両者は一
体化される。

【０１０１】そして、第１，第２ホルダ要素１３，１４
の対向する接合面間で、試料Ｓを挟み込み、これによ
り、ホルダ１２内に試料Ｓを保持するようになる。この
とき、試料Ｓにかかるストレスを抑制するため、両接合
面に形成したリング状の凹溝１３ｃ，１４ｃ内には、そ
れぞれＯリング１５が装着され、試料Ｓに対しては、そ
のＯリング１５が接触されるようになる。

【０１０２】そして、ネジ１３ｂ，１４ｂの締め付け量
を調整することにより、上記の挿入距離は調整できるの
で、第１，第２ホルダ要素１３，１４の接合面に形成さ
れる隙間１６の間隔も調整できる。よって、試料Ｓの厚
さに応じて、隙間１６の距離を調整することにより、試
料Ｓにかかる保持圧力を適切なものにすることができ
る。換言すると、異なる厚さの試料Ｓに対しても、対応
できるホルダ１２となる。特に、結晶，フィルムなどの
膜厚の薄い試料Ｓの場合、大きな圧力が加わると、試料
Ｓに歪みを生じ、正確な測定ができなくなるが、本形態
では係る問題が発生しない。

【０１０３】また、第１，第２ホルダ要素１３，１４の
非接合面側は、外側に突出するフランジ１３ｄ，１４ｄ
が設けられている。このフランジ１３ｄ，１４ｄの外径
は、上記した支持プレート１１に設けた凹部１１ａの内
径と略一致している。これにより、フランジ１３ｄ，１
４ｄのいずれも凹部１１ａ内に挿入することができる
（図では第２ホルダ要素１４のフランジ１４ｄが挿入さ
れている）。さらに、凹部１１ａとフランジ１３ｄ，１
４ｄが円形状となっているので、フランジ１３ｄ，１４
ｄを凹部１１ａ内に挿入した状態で、フランジ１３ｄ，
１４ｄひいてはホルダ１２を回転させることができる。

【０１０４】さらに、フランジ１３ｄ，１４ｄの表面に
は、磁石１７を取り付けている。これにより、支持プレ
ート１１が金属板であるので、フランジ１３ｄ，１４ｄ
を凹部１１ａ内に挿入した状態では、磁石１７が金属板
からなる支持プレート１１に付着する。この磁石１７に
より、ホルダ１２を支持プレート１１に固定することが
できる。また、磁石であるので、簡単にホルダ１２を支
持プレート１１から取り外すこともできる。

【０１０５】従って、本形態によれば、ホルダ１２内に
試料Ｓをセットした状態で、一方のフランジ１４ｄ（１
３ｄ）を支持プレート１１の凹部１１ａに挿入すると、
ホルダ１２は支持プレート１１に固定され、試料Ｓの表
面（或いは裏面）が第１レンズＬ１側に向き、光が照射
される。もちろん、支持プレート１１は、光路と直交す
る平面内に位置するので、試料Ｓは、光軸に対して垂直
面に位置する。この状態で、ホルダ１２を持って回転す
ると、３６０度内の任意の角度位置に位置させ、そこで
固定することができる。

【０１０６】さらに、一度ホルダ１２を支持プレート１
１から取り外し、ホルダ１２を裏返して他方のフランジ
１３ｄ（１４ｄ）を支持プレート１１の凹部１１ａに挿
入すると、ホルダ１２は支持プレート１１に固定され、
試料Ｓの裏面（或いは表面）が第１レンズＬ１側に向
き、光が照射される。

【０１０７】従って、試料Ｓを３６０度回転させ、しか
も表と裏の両方に照射させることができるので、上記し
た固体ＣＤ測定装置において、見かけのシグナルを打ち
消すことができ、真のＣＤを求めることができる。

【０１０８】なお、本実施の形態では、ホルダ１２の回
転を手動で行うようにしたが、例えばホルダ１２の周囲
に歯車を設け、その歯車をパルスモータ（ステッピング
モータ）の出力軸に取り付けた歯車と直接または間接的
に連結させることにより、自動的に回転させることがで
きる。このようにすると、パルスモータの駆動を信号処
理装置８で制御するようにすると、現在の試料Ｓの角度
がわかり、自動的に測定が行える。

【０１０９】また、上記した実施の形態では、ホルダ１
２側に磁石を設けたが、支持プレート１１側に磁石を設
け、ホルダ自体を金属で形成したり、フランジの表面に
金属板を設けるように磁石の設置を逆にしてもよい。さ
らには、ホルダ１２の固定を磁石で行う必要はなく、他
のメカ的その他の任意の固定手段を用いることができ
る。但し、本実施の形態のように磁石を用いると、簡単
に構成でき、試料の装着並びに測定作業も容易に行える
点で好ましい。

【０１１０】図６，図７は、本発明の第２の実施の形態
である試料（石英板等の基板に堆積された膜，高分子フ
ィルム，膜，ゲル，結晶等）が光学的に均質であるか否
かを判定する装置を示している。これら図６，図７と、
図１，図２を比較すると明らかなように、基本的な構成
は、第１の実施の形態の構成から検光子６を取り除いた
構成となっている。

【０１１１】従って、使用する偏光変調器（ＰＥＭ）４
は、残留歪み量が小さく、検出器７の偏光特性が小さ
く，ロックインアンプの２倍高調波除去率の高いものが
用いられる。そして、単色入射項Ｉ_ｉｎ，偏光子Ｐ，偏
光変調器（ＰＥＭ）Ｍ，検出器Ｄのミュラー行列は、第
１の実施の形態の際に記載した式（１）〜式（３），式
（５）の通りである。

【０１１２】さらに、高分子フィルム，膜，ゲル，結晶
などの固体試料を表すミュラー行列は、試料が巨視的異
方性，直線複屈折ＬＢ，直線二色性ＬＤを持ち、光学的
に均質であるとすると、下記式のように表すことができ
る。

【０１１３】

【数３２】

【０１１４】

【数３３】

【０１１５】

【数３４】

【０１１６】

【数３５】

【０１１７】ｅ^−Ｆをテーラ展開すると、下記式（３
５）が得られる。

【０１１８】

【数３６】

【０１１９】この式（３５）中、Ｆ，Ｆ^２，Ｆ^３等が持
つ物理的意味は、光学的に均質な１層構造（Ｆ），光学
的に均質な２層構造（Ｆ^２），光学的に均質な３層構造
（Ｆ ^３）を表す。そして、試料への入射光は、Ｍ，Ｐ，
Ｉ_ｉｎの行列計算により求められ、下記式（３６）で与
えられる。

【０１２０】

【数３７】

【０１２１】説明の便宜上、試料が光学的に均質な２層
構造からなると仮定する。まず、入射光が第１層を通過
した後の偏光状態は、次式により求められる。すなわ
ち、第１層のミュラー行列式Ｓ_１は、下記式（３７）で
あるので、第１層を通過した光の偏光状態Ｉは式（３
８）のようになる。

【０１２２】

【数３８】

【０１２３】

【数３９】

【０１２４】そして、第２層は第１層と同じミュラー行
列要素を持つので、第２層を通過した光は、下記式（３
９）で表すことができ、順次展開すると最終的に式（４
１）のようになる。

【０１２５】

【数４０】

【０１２６】

【数４１】

【０１２７】

【数４２】

【０１２８】さらに検出器７における受信した光の強度
は、偏光特性の小さい光電子増倍管を使用すると、下記
式（４２）のようになる。

【０１２９】

【数４３】

【０１３０】上記した式（４１），式（４２）から明ら
かなように、第２層を通過する光の円偏光成分は、光電
子増倍管での光強度と関係がない。換言すると、円偏光
成分は試料のＬＤとＬＢに何らの相互作用もしていない
といえる。さらに、ｓｉｎ（δ＋α）とｃｏｓ（δ＋
α）は、フーリエ変換すると、第１の実施の形態の説明
の際に示した式（７），式（８）のようになるので、検
出されるωｍ（５０ｋＨｚ）信号と、２ωｍ（１００ｋ
Ｈｚ）信号はそれぞれ下記式で表される。

【０１３１】

【数４４】

【０１３２】

【数４５】

【０１３３】さらに、使用したＰＥＭの残留歪み量αが
小さいとすると、ｓｉｎαが０とみなせるので、式（４
３）は式（４３′）のように近似できる。

【０１３４】

【数４６】

【０１３５】さらに、（ＬＤ′ＬＢ―ＬＤＬＢ′）ｓｉ
ｎ（δ＋α）は、式（４１）から明らかなように、第２
層に入射する直線偏光成分とＬＤとＬＢの相互作用によ
って生じるものである。

【０１３６】次に、試料をこの角度位置で反転し、表裏
を逆にセットする（試料を裏返す）。すると、ＬＤとＬ
Ｂは何の変化も生じないが、ＬＤ′とＬＢ′は、その符
号が変わる。つまり、試料を裏返すと、ＬＢ′は―Ｌ
Ｂ′となり、ＬＤ′は−ＬＤ′となる。従って、試料を
裏返した時に得られるω信号は、式（４３′）中にＬ
Ｂ′とＬＤ′の符号を反転すれば良いので、下記式（４
５）となる。なお、２ωｍ信号は、試料を裏返しても変
わらないので、式（４４）の通りとなる。

【０１３７】

【数４７】

【０１３８】つまり、上記した式（４３′）と式（４
５）を比較すると明らかなように、試料の表面と裏面に
対してそれぞれ入射光を照射させた場合に得られるωｍ
（５０ｋＨｚ）信号は、絶対値が等しく、符号が反転し
ている。従って、光学的に均質な試料を反転させて、そ
の表面と裏面のそれぞれについてωｍ（５０ｋＨｚ）信
号を測定し、得られた両信号を加算すると、各信号が相
殺されて０となる。

【０１３９】次に、試料が光学的に等しくない２層構造
を持つ場合について考察する。入射光に対して第１層を
Ｓ１，第２層をＳ２とする。これを表面とすると、これ
に対するミュラー行列式は、以下のようになる。Ｓ_ｆａｃｅ＝Ｓ_{１ｆａｃｅ}・Ｓ_{２ｆａｃｅ} Ａ_ｅ＝Ａ_ｅ１＋Ａ_ｅ２

【数４８】

【０１４０】

【数４９】

【０１４１】試料を裏返した場合には、各層のＬＤ_１，
ＬＤ_２，ＬＢ_１，ＬＢ_２の符号は変わらないが、ＬＤ′
_１，ＬＤ′_２，ＬＢ′_１，ＬＢ′_２の符号は反転する。
従って、入射光に対するミュラー行列は、下記のように
表せる。Ｓ_ｂａｃｋ＝Ｓ_{２ｂａｃｋ}・Ｓ_{１ｂａｃｋ}

【数５０】

【０１４２】

【数５１】

【０１４３】従って、試料の表面に対して入射光を与え
た場合のωｍ信号（ωｍ（５０ｋＨｚ）_ｆａｃｅ）と、
試料の裏面に対して入射光を与えた場合のωｍ信号（ω
ｍ（５０ｋＨｚ）_ｂａｃｋ）は、下記式（５０），式
（５１）に示すようになる。

【０１４４】

【数５２】

【０１４５】

【数５３】

【０１４６】同様に、試料の表面に対して入射光を与え
た場合の２ωｍ信号（２ωｍ（１００ｋＨ
ｚ）_ｆａｃｅ）と、試料の裏面に対して入射光を与えた
場合の２ωｍ信号（ωｍ（１００ｋＨｚ）_ｂａｃｋ）
は、下記式（５２），式（５３）に示すようになる。

【０１４７】

【数５４】

【０１４８】

【数５５】

【０１４９】上記した各式から明かなように、２ωｍ
（１００ｋＨｚ）信号、すなわち、ＬＤ信号は、表面と
裏面で大きさも等しく符号も変わらない。これに対し、
ωｍ（５０ｋＨｚ）信号は、入射光に対して表面と裏面
では大きさは異なり、その符号は変わるとは限らない。
つまり、光学的に不均質な２層構造の場合、下記式（５
４）のような相関関係を持つ。

【０１５０】

【数５６】

【０１５１】以上のことから、ＬＢ，ＬＤのような巨視
的異方性を持つ試料が光学的に均質であるかどうかを判
定するには、本実施の形態の装置を用い、入射光に対し
て試料の表面とこれを正確に裏返した裏面の両面につい
て、ωｍ（５０ｋＨｚ）信号を測定し、その大きさが等
しいが符号が異なっているならば試料は光学的に均質で
あると判定でき、両面で信号の大きさが異なる（符号の
一致／不一致は問わず）場合には試料は光学的に異なる
２層以上の構造を持っていると判断できる。係る判断
を、信号処理装置８が行う。

【０１５２】

【発明の効果】上記したように、本発明では、簡単な演
算処理によって固体試料の持つ真のＣＤを測定すること
ができ、また、試料が光学的に均質か不均質かの判定が
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る測定装置の第１の実施の形態を示
す図である。

【図２】その光学配置を示す図である。

【図３】試料保持装置の一実施の形態を示す側面図であ
る。

【図４】試料保持装置の一実施の形態を示す平面図であ
る。

【図５】ホルダの一例を示す図である。

【図６】本発明に係る測定装置の第２の実施の形態を示
す図である。

【図７】その光学配置を示す図である。

【符号の説明】

１光源２分光器３偏光子４偏光変調器５試料保持装置６検光子７検出器８信号処理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G059 AA02 BB10 DD13 EE05 EE12 GG04 HH02 HH03 JJ05 JJ06 JJ11 JJ18 JJ19 KK02 MM01 MM12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源から出射される光の光路上に、単色
光を出射する分光器と、その単色光を直線偏光させる偏
光子と、その偏光子を透過した光の偏光状態を所定の基
本変調周波数で、右回りの円偏光，左回りの円偏光に交
番的に変化させると同時に２倍の基本変調周波数で垂直
・水平の直線偏光に交番的に変化させる偏光変調器と、
その偏光変調器から得られた光が入射されるように試料
を保持する試料保持装置と、その試料保持装置を通過し
た光が通過する検光子を通過した光の強度を検出する検
出器と、その検出器の出力に基づいて信号処理する信号
処理部を備えた測定装置であって、前記検光子は、前記光路上と光路外に移動可能にし、前記試料保持装置は、前記試料を回転可能に保持すると
ともに、反転して前記試料の表面側と裏面側のそれぞれ
から光を入射可能とし、前記信号処理部は、前記検出器の出力信号のうち前記偏
光変調器における変調周波数に相当する周波数成分及び
その変調周波数の２倍の周波数成分に基づいて信号処理
するもので、前記検光子を光路上に配置した状態で前記試料を回転さ
せ、基本変調周波数成分が最大位置となる角度位置を求
め、前記角度位置から前記試料を４５度回転させた位置で、
前記試料を反転させ、前記検光子を前記光路外に配置し
た状態で、前記試料の表面から光を照射した時に得られ
た前記変調周波数に相当する周波数成分と、前記試料の
裏面から光を照射した時に得られた前記変調周波数に相
当する周波数成分を得、それらを加えて２で割ることに
より真のＣＤ値を算出する測定装置。
【請求項２】光源から出射される光の光路上に、単色
光を出射する分光器と、その単色光を直線偏光させる偏
光子と、その偏光子を透過した光の偏光状態を所定の基
本変調周波数で、右回りの円偏光，左回りの円偏光に交
番的に変化させると同時に２倍の基本変調周波数で垂直
・水平の直線偏光に交番的に変化させる偏光変調器と、
その偏光変調器から得られた光が入射されるように試料
を保持する試料保持装置と、その試料保持装置を通過し
た光の強度を検出する検出器と、その検出器の出力に基
づいて信号処理する信号処理部を備えた測定装置であっ
て、前記試料保持装置は、前記試料を反転して前記試料の表
面側と裏面側のそれぞれから光を入射可能とし、前記信号処理部は、前記検出器の出力信号のうち前記偏
光変調器における変調周波数に相当する周波数成分に基
づいて信号処理するもので、前記試料の表面から光を照
射した時に得られた前記変調周波数に相当する周波数成
分Ｆと、前記試料の裏面から光を照射した時に得られた
前記変調周波数に相当する周波数成分Ｂを求め、Ｆ＝−Ｂならば前記試料は光学的に均質と判断し、Ｆ＝−Ｂでないならば前記試料は光学的に不均質と判断
する機能を備えたことを特徴とする測定装置。