JP2003516533A - 偏光解析装置及び偏光解析方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、光の偏光状態を測定する装置、及びその測定方法に関し、この装置は、相互異なる周波数で回転する位相遅延板と偏光子とを含んでなる。本発明の方法は、位相遅延板と偏光子を通った光信号を検出して多様な周波数成分を解析し、偏光状態を示すストークスパラメータを求めることを特徴とする。本発明によると、位相遅延板における位相遅延量を、周波数成分解析を通じて偏光状態と同時に解析することができるため、これにより誤差を減少することができるのみならず、広い波長域でも使用することができるという長所を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （技術分野） 本発明は、光の偏光状態を測定する装置、及びその測定方法に関する。

【０００２】 （背景技術） 光の偏光状態を表現する方法にはいろいろがあるが、そのうちの代表的なもの
は、ストークスパラメータ（Ｓｔｏｋｅｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）を使用する方
法である。ストークスパラメータは、以下に説明するように、Ｓ_０、Ｓ_１、Ｓ_２ 及びＳ_３の４つの要素からなっている。ここで、Ｓ_０は、光の強さの総和、Ｓ_１ は、０°線偏光の強さから９０°線偏光の強さを引いた値、Ｓ_２は、４５°線偏
光の強さから−４５°線偏光の強さを引いた値、Ｓ_３は、右旋性円偏光の強さか
ら左旋性円偏光の強さを引いた値でそれぞれ定義されるが、入射光Ｅ（ｔ）を数
１のように示す時、ストークスパラメータは、数２で示すことができる。

【０００３】

【数１】 但し、ここでＥ_ｘとＥ_ｙは、それぞれ実数である。

【０００４】

【数２】 但し、ここでη＝φ_ｘ−φ_ｙであり、＜ ＞は、時間平均を意味する。

【０００５】 このようなストークスパラメータを測定する方法は、空間分割測定方法と時分
割測定方法とに大別できる。

【０００６】 図１は、空間分割測定方法を説明するための図面である。 図１を参照すると、第１の光検出器３０ａは、４方向ビームスプリッター１０
（４−ｗａｙ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）より出た光を偏光子なしに測定し
、光の強さの総和Ｉ_０を得る。また、第２の光検出器３０ｂの前には０°方向に
整列された線形偏光子２０ａが、第３の光検出器３０ｃの前には４５°方向に整
列された線形偏光子２０ｂがそれぞれ設けられ、各方向の線偏光成分のＩ_１とＩ _２ を測定する。第４の光検出器３０ｄは、４５°方向に整列された１／４波長の
位相遅延板１５と０°方向に整列された線形偏光子２０ｃとを通った光を測定し
、光の強さＩ_３を得るが、この光の強さＩ_３は、右旋性円偏光の強さに該当する
。このように測定された光の強さＩ_０、Ｉ_１、Ｉ_２及びＩ_３は、ストークスパラ
メータと以下の数３の関係を有する。

【０００７】

【数３】

【０００８】 図１により説明された方法によると、光を均等に４等分して４つの光検出器で
同時に測定することができるため、測定速度が速い。しかし、４つの光検出器を
必要とするため装置的に具現し難く、また光検出器毎に検出感度（ｓｅｎｓｉｔ
ｉｖｉｔｙ）に差が生じ得るため、困難さがある。

【０００９】 図２は、時分割測定方法を説明するための図面である。図２を参照すると、光
検出器２２０の前にその角度を適切にそれぞれ回転させることができる位相遅延
板２００と偏光子２１０が順番に設けられている。従って、その角度調節を通じ
て、ストークスパラメータと数３の関係で関連づけられたＩ_０、Ｉ_１、Ｉ_２及び
Ｉ_３を測定することができる。しかし、この方法は、位相遅延板２００と偏光子
２１０を相互正確な角度をなすように動かさなければないという困難さを有する
。

【００１０】 前記の空間分割測定方法や時分割測定方法は、幾つかの形態への変更が可能で
ある。しかし、これらの方法の脆弱点は、位相遅延板として１／４波長遅延板を
主に使用するが、この位相遅延量が波長の関数であるため、これによる誤差を誘
発する恐れがあるという点である。

【００１１】 （発明の開示） 従って、本発明の技術的課題は、単純化した構造を有する偏光解析装置を提供
することである。

【００１２】 本発明の別の技術的課題は、向上した測定速度を有する偏光解析方法を提供す
ることである。

【００１３】 本発明のまた別の技術的課題は、偏光状態の解析に際しての誤差を減少し、広
い波長域における光の偏光状態を解析する方法を提供することである。特に、位
相遅延板の波長に対する位相遅延量の変化に伴う測定の誤差を低減することであ
る。

【００１４】 前記の技術的課題を解決するための、本発明の偏光解析装置は、位相遅延板の
速い軸と遅い軸に対する入力光の偏光成分間に位相遅延を与えると同時に、第１
の一定速度で回転する位相遅延板と；前記位相遅延板を通った光の偏光状態を変
化させると同時に、第２の一定速度で回転する偏光子と；前記偏光子を通った光
の強さを検出するための検出手段；及び前記検出手段より検出された光の周波数
成分を抽出し、入力光の偏光状態を解析するための信号処理部とを備えることを
特徴とする。

【００１５】 ここで、前記位相遅延板は、約１／４波長の板であるのが好ましい。 また、前記の別の技術的課題を解決するための、本発明による偏光状態解析方
法は、遅い軸と速い軸とを有し、第１の一定速度で回転する位相遅延板に入力光
を通過させ、入力光の偏光成分間に周期的な偏光状態変化を与えるステップと；
前記偏光状態が変化された光を第２の一定速度で回転する偏光子に入射させ、光
の強さを変化させるステップと；前記光の強さを検出するステップ；及び前記検
出された光の強さから多様な周波数成分を抽出し、これよりストークスパラメー
タを求めるステップとを備えることを特徴とする。

【００１６】 本発明の方法において、前記第１の一定速度と第２の一定速度とが、相互異な
るのが好ましく、それらの速度の大きさは、同じでその方向が逆になるようにし
ても良い。

【００１７】 また、前記第１の一定速度と第２の一定速度とを相互同一にし、その速度比が
１：３〜３：１範囲内の値を有するようにしてもよい。

【００１８】 （発明を実施するための最良の形態） 先ず、本発明を効率的に説明するために幾つかの数学的表現を言及することに
する。 ２次元平面において角度θの回転行列Ｒ（θ）は、以下の数４のように表現さ
れる。

【００１９】

【数４】

【００２０】 一方、遅い軸（ｓｌｏｗ ａｘｉｓ）と速い軸（ｆａｓｔ ａｘｉｓ）との間
の位相差が、２φであり、遅い軸がｘ偏光に向く位相遅延板の行列表現Ｗ（０）
は、以下の数５のように表現される。

【００２１】

【数５】

【００２２】 遅い軸と速い軸との間の位相差が、２φであり、遅い軸がθ回転された位相遅
延板の行列表現Ｗ（θ）は、以下の数６のように表現される。

【００２３】

【数６】

【００２４】 透過偏光がｘ偏光である偏光子の行列表現Ｐ（０）は、以下の数７の通りであ
る。

【００２５】

【数７】

【００２６】 透過偏光がθ回転された偏光子の行列表現Ｐ（θ）は、以下の数８の通りであ
る。

【００２７】

【数８】

【００２８】 一方、任意の入力偏光を表現するジョーンズベクトルＥは、以下の数９の通り
である。

【００２９】

【数９】 但し、ここでＥ_ｘとＥ_ｙは、それぞれ実数である。

【００３０】 位相遅延板がそれぞれθ_ｗ、θ_ｐの方向にある時、これらを通過した後の光の
強さＩは、以下の数１０のように表現される。

【００３１】

【数１０】

【００３２】 以下、図面を参照して本発明の実施例について説明することにする。 図３は、本発明の実施例による偏光解析装置の概略図である。図３を参照する
と、入力光が、第１の一定速度で回転する位相遅延板３００、これと逆方向の第
２の一定速度で回転する偏光子３１０、検出器３２０、及び信号処理部３３０を
順に通る。位相遅延板３００は、前記の数で言及したように、速い軸方向に入射
した偏光成分と遅い軸方向に入射した偏光成分との間に位相差を生じる。かかる
位相差により位相遅延板３００を通った光の偏光状態が変わるようになるが、位
相遅延板が一定速度で回転すると、この回転周期により光の偏光状態も周期的に
変わるようになる。

【００３３】 図４は、１／４波長の位相遅延板に対し線偏光された入射光と速い軸間の角度
が変わるにつれて出力偏光の状態がどのように変わるかを示す図面である。

【００３４】 一方、任意の偏光成分が線形偏光子を通る場合、その偏光子の透過軸の成分の
みが通ることができる。図３の偏光子３１０に入射する偏光成分は、既に位相遅
延板３００の回転によりその偏光状態が変わっているため、偏光子３１０を通る
光の強さもこれに応じて変わるようになる。任意の位相遅延板及び偏光子の角度
θ_ｗとθ_ｐに対する透過光の強さに対する表現を前記の数１０に示した。

【００３５】 数１０の結果から、仮に位相遅延板３００がｆ_ｗの周波数で回転し、偏光子３
１０がｆ_ｐの周波数で回転するとすれば、即ちθ_ｗ＝２πｆ_ｗｔ、θ_ｐ＝２πｆ _ｐ ｔを満たすとすれば、光の強さＩの多様な周波数成分のうちの直流成分、ｓｉ
ｎ４π（ｆ_ｗ−ｆ_ｐ）ｔ成分、ｓｉｎ４πｆ_ｐｔ成分、ｃｏｓ４πｆ_ｐｔ成分、
ｓｉｎ４π（２ｆ_ｗ−ｆ_ｐ）ｔ成分、ｃｏｓ４π（２ｆ_ｗ−ｆ_ｐ）ｔ成分である
、Ｉ_０、Ｉ_{ｆｗ−ｆｐ}、Ｉ_ｆｐ，ｓ、Ｉ_ｆｐ，ｃ、Ｉ_{２ｆｗ−ｆｐ，ｓ}、Ｉ_{２ｆ ｗ−ｆｐ，ｃ} の大きさは、それぞれ以下の数１１のように与えられる。

【００３６】

【数１１】

【００３７】 仮に、入射光の成分のうち、偏光されていない成分の強さが、Ｉ_ｕｐほど存在
するとすれば、他の成分は変化がなくＩ_０成分のみが数１２のように変わるよう
になる。

【００３８】

【数１２】

【００３９】 数１１及び１２の成分をストークスパラメータと関連づけると、以下の数１３
の関係を得る。

【００４０】

【数１３】

【００４１】 前記の関係から、本発明の偏光状態の測定原理は、１つの位相遅延板と偏光子
をそれぞれｆ_ｗとｆ_ｐの周波数で回転させながら測定した光の強さを、フーリエ
変換（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）して得られるそれぞれの周波数成
分を数１３に代入し、偏光解析に使用されるストークスパラメータを求めるもの
である。

【００４２】 一方、数１３におけるｓｉｎ２φは、Ｉ_ｆｐ，ｃとＩ_{２ｆｗ−ｆｐ，ｃ}との比
率、若しくはＩ_ｆｐ，ｓとＩ_{２ｆｗ−ｆｐ，ｓ}との比率から求められるｔａｎ^２ φにより以下の数１４の関係から求められる。

【００４３】

【数１４】

【００４４】 従って、本発明によると、位相遅延板における位相遅延量２φを事前に知らな
い場合であるとしても本測定によりその値が分かるという長所がある。この長所
は、位相遅延板における位相遅延量が一般に波長の関数で与えられる値で、光源
の波長に応じてその値が変わるという点を考慮する時、光源の波長を知らない場
合、言い換えれば、位相遅延量を正確に知らない場合でも適用することができる
という長所がある。

【００４５】 数１３を導き出す過程において、初期時間ｔ＝０で偏光子と位相遅延板の角度
はいずれも０°にした。一般の場合、両初期角度のいずれを正確に０°に合わせ
るのは煩わしいため、偏光子の角度が０°になる瞬間を初期時間ｔ＝０とし、位
相遅延板の初期角度を任意の角度θ_ｗ０とする場合に、この角度についての情報
は、ｃｏｓ４π（ｆ_ｗ−ｆ_ｐ）ｔに比例する成分の大きさとｓｉｎ４π（ｆ_ｗ−
ｆ_ｐ）ｔに比例する成分の大きさから抽出することができ、θ_ｗ０の存在による
数１３の変更は、一定の数学的な知識のある者であれば、容易に見出すことがで
きる。

【００４６】 本発明の装置では、位相遅延板、偏光子、光検出器がそれぞれ１つずつのみ使
用されるため、偏光状態を検出する装置を小型、低コストで構成することができ
、位相遅延板における位相遅延量を事前に知る必要がないため、広い波長域で正
確な測定を行うことができる。

【００４７】 また、通常の時分割測定方法では、位相遅延板及び偏光子の角度を正確に固定
する必要があるが、本発明では、偏光子が０°を通る瞬間に測定を初期化するこ
とで位相遅延板の角度が分かるため、初期状態の位相遅延板の角度を事前に知っ
ておく必要がないという付加的な長所もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、空間分割測定方法を説明するための装置の図面である。

【図２】 図２は、時分割測定方法を説明するための図面である。

【図３】 図３は、本発明の実施例による偏光解析装置の概略図である。

【図４】 図４は、１／４波長の位相遅延板に対し線偏光された入射光と速い軸間の角度
が変わることにより出力偏光の状態がどのように変わるかを示す図面である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自分の速い軸と遅い軸に対する入力光の偏光成分間に位相遅
   延を与えると同時に、第１の一定速度で回転する位相遅延板と； 前記位相遅延板を通った光の偏光状態を変化させると同時に、第２の一定速度で
   回転する偏光子と； 前記偏光子を通った光の強さを検出するための検出手段；及び 前記検出手段より検出された光の電気的信号の周波数成分を抽出し、入力光の偏
   光状態を解析するための信号処理部と； を備える偏光解析装置。
2. 【請求項２】 前記位相遅延板が、約１／４波長の板であることを特徴とす
   る、請求項１に記載の偏光解析装置。
3. 【請求項３】 遅い軸と速い軸とを有し、第１の一定速度で回転する位相遅
   延板に入力光を通過させ、入力光の偏光成分間に周期的な偏光状態変化を与える
   ステップと； 前記偏光状態が変化された光を第２の一定速度で回転する偏光子に入射させ、光
   の強さを変化させるステップと； 前記光の強さを検出するステップ；及び 前記検出された光の強さから多様な周波数成分を抽出し、これよりストークスパ
   ラメータを求めるステップと； を備える入力光の偏光状態の解析方法。
4. 【請求項４】 前記第１の一定速度と第２の一定速度とが、相互異なること
   を特徴とする、請求項３に記載の入力光の偏光状態の解析方法。
5. 【請求項５】 前記第１の一定速度と第２の一定速度とが、その大きさは同
   じで、その方向が逆であることを特徴とする、請求項４に記載の入力光の偏光状
   態の解析方法。
6. 【請求項６】 前記第１の一定速度と第２の一定速度とが、相互同一方向で
   あり、その速度比が、１：３〜３：１範囲内の値を有することを特徴とする、請
   求項３に記載の入力光の偏光状態の解析方法。