JP2005181150A - 屈折率分布・偏向角の測定装置、および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マハツェンダ干渉計を利用して、液晶素子のような偏光依存性のある素子を被検体として屈折率分布を測定する場合、被検体に入射させる光束の偏光方向を、被検体の光学軸方向に合わせないと、正しい測定ができない。光源に用いるレーザはそれ自身偏光性を有しているので、単に回転偏光子を挿入しても偏光方向の調整はできない。
【解決手段】レーザ１から出た偏光性を有する光束を、ＮＤフィルタ２で光量調整し、ビームエキスパンダ５に入射させるが、その直前に偏光方向回転装置４を挿入しておく。偏光方向回転装置４は、例えば２分の１波長板を光束の進行方向に対し直交する面内で回動自在に配置したものである。２分の１波長板は、結晶によって定まる光学軸を有し、その光学軸が入射光束の偏光方向となす角の２倍の角度だけ、出射光束の偏光方向が回転するが、回転角度に依存する光量変動は生じない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、偏光依存性を有する空間的位相変調素子の屈折率分布測定方法及び装置に関し、特に液晶位相偏向素子のように電気信号で制御可能な位相変調可能な素子の屈折率分布を有する被検体の測定に関する。

光学レンズなどの一般的な光学素子の屈折率分布は、マハツェンダ干渉計を用いることによって測定可能であることが知られている（例えば、特許文献１、２ 参照。）。
走査光学系や光ピックアップ装置では、外乱や温度変動に対応するために光束の波面収差や偏向方向をアクティブに制御あるいは補正する空間的位相変調素子が使われ始めている。
空間的位相変調素子としては、液晶やホログラム素子やマイクロミラーなどがある。
液晶のような、偏光依存性を有する空間的位相変調素子の屈折率分布を高精度に測定するためには、素子に入射する可干渉光の偏光方向と、射出後の偏光方向を、適切に制御する必要がある。例えば、複屈折性を有する被検体に、偏光してない光束を入射させると、被検波が乱れて、正しい測定ができないおそれがある。
さらに、電気信号で制御可能な位相変調素子の特性を評価するためには、動的特性を得る必要があり、そのためには、高速にデータを取り込むことが望まれる。

特許文献２に示された装置は、空間的位相変調素子（以下単に素子という）の測定もできる構成になってはいるが、以下に示すような問題がある。
可干渉性の良好な光源としてレーザを用いると、出射される光束は特定の方向に偏光している。素子が偏光依存性を有する場合、素子に入射する可干渉光の偏光方向を変えようとして、素子に入射する前の光路に回転偏光子を挿入し、回転させたとする。偏光性を有さない光束を出射する光源であれば、回転偏光子の偏光方向に対応した偏光光束となり、回転角の違いによる光量変動は生じない筈であるが、レーザのような偏光光の場合、偏光方向は変化せず、透過光量のみが変化する。どうしても偏光方向を変える必要が有る場合は、レーザ自身を光軸まわりに回転させなければならない。

特開平８−１２２１０号公報（第４頁、第１図） 特開２００１−２１４４８号公報（第４、５頁、第１図）

本発明は、偏光依存性のある素子を被検体として屈折率分布を測定するに当たって、光量変動を伴わずに、光束の偏光方向を任意に変えられる、簡単な装置を提供することである。

請求項１に記載の発明では、可干渉光を出射する光源と、該可干渉光を２光束に分割する光束分割素子と、被検体収容装置と、該２光束を再度合成する光束合成素子と、光束合成により生ずる干渉縞を検出する干渉縞検出素子とを有し、前記２光束のうちの一方は、前記被検体収容装置を透過するように構成されている測定装置において、前記光源と、前記光束分割素子との間に、偏光方向回転装置を設け、形成された干渉縞像から屈折率分布を測定することを特徴とする。
請求項２に記載の発明では、可干渉光を出射する光源と、該可干渉光を２光束に分割する光束分割素子と、被検体収容装置と、該２光束を再度合成する光束合成素子と、光束合成により生ずる干渉縞を検出する干渉縞検出素子とを有し、前記２光束のうちの一方は、前記被検体収容装置を透過するように構成されている測定装置において、前記光源と、前記光束分割素子との間に、偏光方向回転装置を設け、形成された干渉縞像から偏向角を測定することを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の測定装置において、前記偏光方向回転装置は、該偏光方向回転装置を通過する光束の進行方向に直交する面内で機械的に回動可能に設けられた２分の１波長板を有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、請求項１または２に記載の測定装置において、前記偏光方向回転装置は、該偏光方向回転装置を通過する光束の進行方向にほぼ直交する方向から、強度可変の磁界を与えられるファラデー素子を有することを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項１または２に記載の測定装置において、前記偏光方向回転装置は、該偏光方向回転装置を通過する光束の進行方向に直交する対向面から、電圧値可変の電圧を与えられる電気光学結晶を有することを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の測定装置において、前記干渉縞検出素子はリニアイメージセンサであることを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の測定装置において、前記一方の光束が前記被検体収容装置を通過後、前記光束合成素子に入射する前に、光束の進行方向に対し垂直な平面内で回動可能に設けた出射側２分の１波長板と、該２分の１波長板を通過した光束を分岐する分岐素子と、前記２光束のうち他方の光束の偏光方向に偏光方向を合わせた検光子と、光束の光強度を検出する検出器とを備えたことを特徴とする。

請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の測定装置において、前記検光子を光束の進行方向に垂直な面内で回動可能な機構を有し、該機構は、前記偏光方向回転装置により定まる偏光面と、前記検光子の偏光面が一致するよう連動していることを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の測定装置において、前記一方の光束が前記被検体収容装置に入射する前に、入射側２分の１波長板を光束の進行方向に対し垂直な平面内で回動可能に設けたことを特徴とする。
請求項１０に記載の発明では、請求項９に記載の測定装置を用い、前記被検体収容装置に、偏光依存性を有する空間的位相変調素子である被検体を収容し、前記偏光方向回転装置により光源からの光束の偏光方向を所定の方向に規制し、前記入射側２分の１波長板を透過した光束の偏光方向が前記被検体の光学軸方向に一致するよう前記入射側２分の１波長板を回動させる測定方法を特徴とする。
請求項１１に記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の測定装置を用い、前記被検体収容装置に、偏光依存性を有する空間的位相変調素子である被検体を収容し、該被検体の光学軸方向に一致するように前記偏光方向回転装置により前記被検体収容装置に入射させる光束の偏光方向を回転させる測定方法を特徴とする。
請求項１２に記載の発明では、請求項１０または１１に記載の測定方法において、前記被検体は、電気信号で制御可能な位相変調素子であることを特徴とする。

請求項１３に記載の発明では、請求項１２に記載の測定方法において、前記電気信号で制御可能な位相変調素子は液晶偏向素子であることを特徴とする。
請求項１４に記載の発明では、請求項１０ないし１３のいずれか１つに記載の測定方法において、前記被検体収容装置には、前記被検体とともに該被検体と屈折率がほぼ等しいマッチング液を収容する測定方法を特徴とする。
請求項１５に記載の発明では、同一光源からの可干渉光の入射直線偏光が、偏光依存性を有する空間的位相変調素子である被検体の光学軸に対して、平行になるように入射させ、参照波と被検波との重畳による干渉縞像を形成し、形成された干渉縞像から屈折率分布を測定する測定方法を特徴とする。
請求項１６に記載の発明では、同一光源からの可干渉光の入射直線偏光が、偏光依存性を有する空間的位相変調素子である被検体の光学軸に対して、平行になるように入射させ、参照波と被検波との重畳による干渉縞像を形成し、形成された干渉縞像から屈折角を測定する測定方法を特徴とする。
請求項１７に記載の発明では、請求項１５または１６に記載の測定方法において、前記空間的位相変調素子は電気信号で制御可能な位相変調素子であることを特徴とする。
請求項１８に記載の発明では、請求項１７に記載の測定方法において、前記電気信号で制御可能な位相変調素子は液晶偏向素子であることを特徴とする。

請求項１９に記載の発明では、請求項１５ないし１８に記載の測定方法において、前記被検体は、該被検体と屈折率がほぼ等しいマッチング液浸した状態で測定されることを特徴とする。
請求項２０に記載の発明では、請求項１５ないし１９のいずれか１つに記載の測定方法において、前記入射直線偏光を被検体の光学軸に対して平行になるよう入射させる方法は、光束の進行方向に直交する面内で機械的に回動可能に設けられた２分の１波長板によるものであることを特徴とする。
請求項２１に記載の発明では、請求項１５ないし１９のいずれか１つに記載の測定方法において、前記入射直線偏光を被検体の光学軸に対して平行になるよう入射させる方法は、光束の進行方向にほぼ直交する方向から、強度可変の磁界を与えられるファラデー素子によるものであることを特徴とする。
請求項２２に記載の発明では、請求項１５ないし１９のいずれか１つに記載の測定方法において、前記入射直線偏光を被検体の光学軸に対して平行になるよう入射させる方法は、光束の進行方向に直交する対向面から、電圧値可変の電圧を与えられる電気光学結晶によるものであることを特徴とする。
請求項２３に記載の発明では、請求項１５ないし１９のいずれか１つに記載の測定方法において、前記被検波の光路中に２分の１波長板が挿入されていることを特徴とする。
請求項２４に記載の発明では、請求項１５ないし１９のいずれか１つに記載の測定方法において、前記干渉縞像はリニアイメージセンサを用いて検出することを特徴とする。

本発明によれば、偏光依存性を有する被検体の測定において、被検体に入射する光束の偏光方向を任意に調整しても光量変動の生じない測定装置が得られる。

本発明の構成を説明する前に、本発明で取り扱う偏光依存性を有する被検体としての、「液晶偏向素子」の構成、および動作を図１１ないし図１３を用いて説明する。
図１１は液晶偏向素子の動作原理を説明するための図である。同図（ａ）は平面図、（ｂ）は模式的側断面図、（ｃ）は屈折率分布図をそれぞれ示す。
同図において符号１００は液晶偏向素子、１０１は液晶層、１０２ガラス基板、１０３は帯状透明電極、１０４は前面透明電極、１０５は配向膜、１０６は均一な電気抵抗膜、１０７はスペーサをそれぞれ示す。
液晶偏向素子は、電気的な信号で駆動されるものと、磁気的な信号で駆動されるものとが知られているが、以下では、電気的な信号で駆動されるものを例にとって説明する。
電気的な信号による駆動で光束を偏向させる液晶偏向素子は、大別すると、電気信号により屈折率を変化させるものと、電気信号により回折作用を起こさせるものとの２種に分けられる。
まず、屈折率の変化を利用する液晶偏向素子１００につき説明すると、この種のものは、例えば、特開昭６３−２４０５３３号公報に記載されている。

同図（ｂ）において、液晶１０１は誘電異方性が正のネマチック液晶で、スペーサ１０７により所定間隙に保たれた１対の透明配向膜１０５Ａ、１０５Ｂ間に薄層状に密封されている。符号１０１Ａで示す液晶分子は分子軸方向に長い形状である。配向膜１０５Ａは、液晶分子１０１Ａの分子軸が配向膜表面に対して直交方向となるように配向処理され、配向膜１０５Ｂは、液晶分子１０１Ａの分子軸が配向膜表面に対して平行方向となるように配向処理されている。
配向膜１０５Ａの外側にはＺｎＯ等による透明な電気抵抗膜１０６が形成されている。透明な電気抵抗膜１０６、配向膜１０５Ａ、１０５Ｂおよび液晶１０１は、１対の透明なガラス基板１０２Ａ、１０２Ｂにより挟持されている。ガラス基板１０２Ｂの配向膜１０５Ｂ側の面にはＩＴＯ等による透明な電極膜１０４が一面に形成されている。
一方、ガラス基板１０２Ａの配向膜１０５Ａ側の面には、同図（ａ）に示すようなパターンの電極１０３Ａ、１０３Ｂが形成され、これら電極１０３Ａ、１０３Ｂは同図（ｂ）に示す如く、電気抵抗膜１０６に接している。

電極１０３Ａ、１０３Ｂは、これらが光束の透過領域にかかる場合にはＩＴＯ等により透明電極として形成されるが、電極１０３Ａ、１０３Ｂが光束の透過領域にかからなければ、すなわち、電極１０３Ａ、１０３Ｂが光束を遮らなければ、金属薄膜等により不透明な電極として形成することもできる。同図の例では、電極１０３Ａ、１０３Ｂは透明電極として形成されている。
同図（ｂ）の状態において、電極膜１０４と電極１０３Ｂを接地し、同図（ａ）に示す電極１０３Ａ、１０３Ｂの端子１０３Ａ’、１０３Ｂ’間に電圧：Ｖを印加すると、電気抵抗膜１０６の電位は、電極１０３Ａの側から電極１０３Ｂの側へ直線的に低下し、いわゆる電位勾配を形成する。このため、電気抵抗膜１０６と透明な電極膜１０４との間には、同図（ｂ）の上方から下方へ向かって直線的に減少する電界（向きは図の左右方向を向いている）が作用する。
この電界は液晶１０１に作用し、液晶分子１０１Ａをその分子軸が電界に平行になるように回転させる。液晶分子１０１Ａの回転角は電界の強さに直線的に比例するので、上記電界が作用すると、電極１０３Ａの側では液晶分子１０１Ａの分子軸は電界の方向、同図（ｂ）における左右方向、により近くなるが、電極１０３Ｂの側では電界が実質的に０であるので、液晶分子１０１Ａの分子軸は殆ど電極膜１０４に平行のままである。

液晶分子１０１Ａの誘電率は、分子軸に平行な方向において大きく、分子軸に直交する方向において小さい。このため、屈折率は分子軸に平行な方向においてより大きくなる。上記電界の作用により、上述の如き液晶分子１０１Ａの分子軸の向きの分布が生じると、液晶１０１における屈折率は、分子軸が電界に略平行となる電極１０３Ａの側で高く、電極１０３Ｂの側では低くなり、同図（ｃ）に示すように電極１０３Ａの側から電極１０３Ｂの側へ直線的に減少する。
したがって、このような屈折率分布が生じている液晶偏向素子に、同図（ｂ）の右側から光束を入射させて液晶偏向素子を透過させると、透過光束は屈折率分布の作用により、屈折率の高い側、すなわち、同図（ｂ）における上方へ、偏向される。
接地する電極を電極１０３Ｂから１０３Ａに変えて、端子１０３Ａ’、１０３Ｂ’間に印加する電圧の向きを上記と逆にすれば、同図の場合と逆に、電極１０３Ｂの側から電極１０３Ａの側へ向って減少する屈折率分布が得られ、透過光束を同図の下方へ偏向させることができる。

以上が、屈折率変化を利用した液晶偏向素子による光束偏向の原理である。
偏向の程度である偏向量、すなわち偏向角は、液晶偏向素子に固有の値で飽和し、飽和するとそれより大きな偏向角は生じない。液晶偏向素子を駆動する電気信号としては直流電圧を用いても良いが、液晶偏向素子の寿命の面から考えると、電気信号は、パルス状または正弦波状に変調された信号で、平均電圧が０Ｖ近傍であるものが好ましい。
偏向角を変化させるには、端子Ａ、Ｂ間の電位差：Ｖの増減によって行うこともできるが、上記パルス信号を駆動信号とする場合は、パルスのデュ−ティ比を変えることによっても行うことができる。

図１２は本発明を適用しうる液晶偏向素子の他の例を示す図である。同図（ａ）は電極は位置を示す平面図、同図（ｂ）は模式的側断面図、同図（ｃ）は屈折率分布図である。
繁雑を避けるため、混同の虞がないと思われるものについては図１１におけると同一の符号を用いた。この素子は図１１の素子の変形例であり、図１１の素子との差異は、ガラス基板１０２Ａの側において、透明な電気抵抗膜を３つの部分１０６Ａ、１０６Ｂ、１０６Ｃに分割し、透明電極を同図（ａ）の如くにパターニングし、電気抵抗膜１０６Ａに透明電極１０３Ａ１と１０３Ｂ１が対応し、電気抵抗膜１０６Ｂに透明電極１０３Ａ２と１０３Ｂ２が対応し、電気抵抗膜１０６Ｃに透明電極１０３Ａ３と１０３Ｂ３が対応するようにした点にある。
端子１０３Ａ’、１０３Ｂ’間に駆動信号を印加すると、同図（ｃ）の如き屈折率分布が得られる。この場合、端子１０３Ａ’、１０３Ｂ’間に印加する電圧：Ｖに対する電界の変化率が大きくなるので、図１１の素子に比してより大きな屈折率勾配が得られ、より大きな偏向角（偏向量）を得ることができる。
同図に示すタイプの液晶偏向素子の場合、電気抵抗膜とこれに組合せられる対の電極、例えば、電気抵抗膜１０６Ａと電極１０３Ａ１、１０３Ａ２、の組合せの数（上の例では３）が大きくなるに従い、偏向角を大きくできる反面、光束の透過領域における上記組合せの周期構造の周期が小さくなり、回折光を生じるようになる。

図１３は液晶偏向素子のさらに他の例を示す図である。同図（ａ）は模式的側断面図、同図（ｂ）は屈折率分布図である。
この液晶偏向素子は電気信号により回折作用を起こさせるものである。この型の液晶偏向素子は、例えば特開平８−３１３９４１号公報に詳しく記載されている。
同図においても繁雑を避けるため、混同の虞がないと思われるものについては、図１１におけると同一の符号を用いた。
図１３（ａ）において、液晶１０１は例えば、液晶分子１０１Ａの分子軸方向の誘電率が、分子軸に直交する方向の誘電率よりも小さい、誘電異方性が負のネマチック液晶で、スペーサ１０７により所定間隙に保たれた１対の透明配向膜１０５Ａ、１０５Ｂの間に薄層状に密封されている。
配向膜１０５Ａ、１０５Ｂは、透明電極１０３を有するガラス基板１０２Ａと、透明電極１０４を有するガラス基板１０２Ｂとにより挟持されている。透明電極１０３、１０４はＩＴＯ等で薄膜状に形成され、それぞれガラス基板１０２Ａ、１０２Ｂの面に所定の形状（例えば矩形形状）で一様に形成されている。

配向膜１０５Ａ、１０５Ｂは、液晶分子１０１Ａの分子軸方向が図面に直交する方向となるように、液晶１０１に対する配向を行う。
このような状況で、透明電極１０３、１０４間に直流もしくは３００Ｈｚ程度以下の低周波の電圧を印加すると、液晶１０１内に、図の上下方向（前記「配向方向」と直交する方向）を格子配列方向とする回折格子パターンが形成される。同図（ｂ）は、このように形成された回折格子パターンにおける屈折率分布である。
この状態で光束を液晶偏向素子に入射させると、透過光は上記回折格子パターンにより、同図（ａ）の上下方向に回折光を生じる。上記低周波の電圧の電圧値を変化させると、形成される回折格子パターンの格子ピッチが変化し、回折角が変化する。

従って、例えば回折の１次光に着目すれば、１次光の偏向角を調整することにより、光束を所定方向、同図の例では上下方向、に所望の偏向角で偏向させることができる。
また、同図の液晶偏向素子の透明電極１０３、１０４間に印加する電圧を高周波電圧にすると、液晶１０１に、配向方向に直交する方向の回折格子パターンが現れ、同図（ａ）において紙面に直交する方向の回折光を得ることができる。この場合は、液晶に印加する高周波電圧の包絡電圧を増減させることにより、回折角を変化させることができる。
以上、従来から知られた電気信号により光束を偏向させるタイプの液晶偏向素子につき簡単に説明した。
液晶偏向素子としては、上記した電気信号により駆動するものに限らず、上には説明しなかったが、磁気信号により駆動するものも含まれる。
本発明では、光路偏向手段の一つとして用いる、これら公知の液晶偏向素子の屈折率分布や、偏向角を測定するための装置、および方法を提供するものである。

図１は本発明の実施形態を説明するための図である。
同図において符号１は光源としてのレーザ、２はＮＤフィルタ、３は第１の偏向器、４は偏光方向回転装置、５はビームエキスパンダ、６は空間フィルタ、７は第１の光束分割素子としてのビームスプリッタ、８は被検体収容装置、９は第２の偏向器、１０は第１の光束合成素子としてのビームスプリッタ、１１は第２の光束合成素子としてのビームスプリッタ、１５は第３の偏向器、１６は結像レンズ、１７は拡散板、１８はズームレンズ、１９は第２の光束分割素子としてのビームスプリッタ、２０、２１は結像レンズ、２２は１次元センサ、２３は２次元センサ、２６はハロゲンランプ、２７はスケール、２８は第４の偏向器、Ｅは被検体の制御装置、Ｏは被検体をそれぞれ示す。
本実施形態はマハツェンダ干渉計を基本にしている。例えば、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー１からの光束は、ＮＤフィルター２、偏光方向が回転可能な偏光方向回転装置を通過して光量と偏光方向を適正に調整し、ビームエキスパンダ５で必要な大きさに拡大される。空間フィルタ６はフレア光、ゴースト光といった不要な光をカットする。次に、ビームスプリッタ７によって、直角に曲げられた参照波と、直進して位相物体である被検体Ｏを収容した被検体収容装置８を通過する被検波とに分割される。これらは、ビームスプリッタ１１で重畳され干渉を起こす。これを被検体Ｏと拡散板１７とを幾何光学的に共役関係になるように配置した結像レンズ１６で干渉縞像を一旦拡散板１７等に投影してインコヒーレント光とし、拡散板１７以降にあるレンズ系やセンサ前面の保護ガラスでの多重反射による干渉縞ノイズを低減している。拡散板１７に生じた干渉縞は、例えば、ＣＣＤのような、ｘ方向に配列されたデータ取り込み用の１次元センサ２２と２次元センサ２３で検出される。拡散板１７の位置とセンサ面とは、ズームレンズ１８とレンズ２０又は２１によって共役関係となっている。２次元センサは、測定用途の他に、アライメント用のモニターとしても使用する。センサ上の干渉縞像の大きさは、ズームレンズによって可変となる。実際の大きさを確認するためのスケール２７をスクリーン上に投影するためにハロゲンランプ２６を用いている。

ここで、本実施形態が従来技術と特に異なる点である、偏光方向回転装置４について説明する。
光量の変動を伴わずに偏光方向を変える方法として以下の３つが知られている。
１．２分の１波長板方式
２．ファラデー素子方式
３．電気光学結晶方式
これらを順に説明する。
図２は２分の１波長板の動作を説明するための図である。
同図において符号３１は２分の１波長板、ＣＯは光学軸をそれぞれ示す。
２分の１波長板３１（以下単に波長板と呼ぶ）は面内に１つの光学軸ＣＯを持つ結晶である。直線偏光化された光線が波長板に入射するとき、光線の電界ベクトルの振動方向が波長板の光学軸ＣＯとなす角の内、鋭角の方をθとすると、出射光線の電界ベクトルの振動方向は、光学軸ＣＯに関して入射光線のベクトルと対称な角度になる。出射光線の偏光面が入射光線の偏光面となす角、すなわち偏光面の回転角ρは、ρ＝２θとなる。
したがって、偏光方向回転装置４は２分の１波長板３１を、光束の進行方向に対して垂直な面内で、機械的に任意の角度回動可能に構成すればよい。

図３はファラデー素子の動作を説明するための図である。
同図において符号３２はファラデー素子、Ｈは磁界の強さをそれぞれ示す。
ファラデー素子３２は磁界Ｈ中に置かれると、入射した直線偏光の光線の偏光面が回転されて出射する。回転角の大きさρは、ファラデー素子３２の光の進行方向に見た長さｌ、および磁界の強さＨに比例し、磁界が光の進行方向となす角度θの余弦に比例する。
これを式で表すと、Ｒを比例定数として、
ρ＝ＲＨｌｃｏｓθ
となる。θが９０°のときｃｏｓθは最大になるので、磁界をかける角度はなるべく９０°に近づけた方がよい。
したがって、偏光方向回転装置４は、なるべく長めのファラデー素子３２を用い、強度可変の磁界発生装置を設けて、光の進行方向にほぼ直交する方向からファラデー素子３２に磁界をかけるよう構成すればよい。

図４は電気光学結晶の動作を説明するための図である。
同図において符号３３は電気光学結晶を示す。
電気光学結晶３３は光の進行方向に直交する方向から電界を受けると、偏光面が回転して出射する性質がある。同図において電気光学結晶３３の上下の面全体に電極を設け、直流電圧Ｖを印加した場合、回転角の大きさρは、電気光学結晶３３の光の進行方向に見た長さｌ、および電界の強さＥに比例する。電界の強さＥは、電極間の距離ｄとするとＥ＝Ｖ／ｄとなる。これらを纏めて式で表すと、Ｋを比例定数として、
ρ＝ＫＶｌ／ｄ
となる。
したがって、偏光方向回転装置４は、１組の対向面に電極を設けたなるべく長めの電気光学結晶３３を用い、可変電圧装置を設けて、光の進行方向に直交する方向から両電極に電圧をかけるよう構成すればよい。

測定結果の、実寸との対応を取るため、大きさが既知のスケール２７をビームスプリッタ１０の別光路に設置し、背後からハロゲンランプ２６を照射することで、キャリブレーションを可能としている。
干渉縞解析方法としては、光路差をπ／２間隔でステップ状に駆動し、４回又は５回程度干渉縞を取り込んで解析する位相シフト法を用いる。これに限らず、フリンジスキャニング法や測定が１回で済むフーリエ変換法などの縞解析方法を使用しても良い。

図５は光路差を変化させる装置を説明するための概略図である。
同図において符号１２はスプリッタホルダ、１３はピエゾ素子を含むステージ、１４はスプリッタベースをそれぞれ示す。
ビームスプリッタ１１はスプリッタホルダ１２に保持され、ステージ１３を介してスプリッタベース１４に取り付けられている。図示しないピエゾ素子に所定の電圧をかけることによって、ステージ１３の上面がスプリッタベース１４に対し相対的に直進移動し、ビームスプリッタ１１を、例えば矢印Ａの方向に、微少量移動させることができる。これによって、被検体Ｏを通った光束（被検波という）と、被検体Ｏを通らなかった光束（参照波という）との合成位置を、被検波の進行方向に光の波長レベルで変化させることができる。合成位置の変化は、被検波と参照波との相対的なずれによって得られるので、ビームスプリッタ１１の移動方向は、矢印Ａの方向に限らず、矢印Ｂの方向に設定しても構わない。そのためには、ピエゾ素子の電極構成をそれに応じて変えておけばよい。同じ意味でこのような光路差可変装置をビームスプリッタ１１の代わりにビームスプリッタ７に設けても良い。

次に、測定の手順について説明する。
あらかじめ被検体Ｏの光軸方向肉厚ｄ（ｘ）を計算しておく。厚さが一定の試料で有れば、d（ｘ）＝ｄ（一定）と見なすことができる。被検体Ｏに光束を透過して干渉縞検出器としての１次元センサ上に干渉縞像を結像させる。センサとして例えばリニアＣＣＤを用い、その出力から位相シフト法などの縞解析方法を用いて、透過波面ＷＦ（ｘ）（単位：λ）を計測する。λは、光源の波長である。そして、リニアＣＣＤの任意の位置をｘ＝０として、相対的な基準としての透過波面ＷＦ（０）を求め、次式によりΔｎ（ｘ）を算出する。
Δｎ（ｘ）＝（ＷＦ（ｘ）−ＷＦ（０））・λ／ｄ（ｘ） −−−（１）
こうして任意の測定断面について、屈折率分布Δｎ（ｘ）を算出することができる。

図６は測定結果の一例を示す図である。同図（ａ）は透過波面の位相分布、同図（ｂ）はその有効領域での傾き補正後の位相分布、同図（ｃ）は屈折率分布をそれぞれ示す図である。
同図は液晶偏向素子１００に、液晶の動作電圧より若干高い電圧を与えた場合の結果を示している。
傾き補正後の位相分布は、凹形状をしており、これは光学系がデフォーカスの要因となり得ることを示している。この結果から、素子の透過波面精度の良否を判定することができる。またこの結果を光学設計シミュレーションにフィードバックすることも可能である。また、このデータを（１）式に入れて屈折率分布を算出した結果が同図（ｃ）に示すグラフである。これより、素子単体での誤差要因を分析することができる。
図７は測定結果の他の例を示す図である。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は前図のそれらと同様である。
同図は前図の電圧のほぼ２倍の電圧を与えた場合の測定結果を示している。同図(ｂ)の位相分布形状は前図(b)と逆転して、凸形状となっており、前図(b)の場合とは、光学的には逆の方向にデフォーカスをおこす要因となることがわかる。

図８は本発明の他の実施形態を説明するための図である。
同図において符号２９はマッチング液、３０はオプチカルフラットをそれぞれ示す。
被検体収容装置８内には、屈折率が被検体Ｏとほぼ等しいマッチング液２９が充填されており、表面形状の影響を排除している。従って、被検体Ｏがいかなる外形形状であっても被検波は直進する。該装置の入射・射出窓には、面精度の高いオプティカルフラット３０を配置してある。
被検体収容装置８内に充填したマッチング液２９は、屈折率の基準となるので、均質でなければならない。わずかでも温度分布が有ると屈折率が変化するため、不均質となってしまい、測定精度が低下する。このため、マッチング液２９の屈折率を制御するためには、温度分布を高精度に制御する必要がある。このため、温度制御手段としてマッチング液を充填したセルを水で覆い、サーキュレータで水を循環させ、水温を一定に制御する。

図９は被検体収容装置の構造を示す図である。
同図において符号８１はセル、８２は水槽部、８３は循環水の注入部、８４は循環水の排出部、８５は断熱材をそれぞれ示す。
本体はセル８１と循環水水槽部８２のアルミ一体鋳造により製造された二重の円筒形状をしており、内側の円筒（セル）８１にはマッチング液２９と被検体Ｏが収納され、測定が行われる。水槽部８２は、下部の一方に循環水の注入部８３，および排出部８４を有し、装置内部は、セル８１と平行な方向に４つの部屋８２１〜８２４に区切られ、水槽部８２外側には断熱材８５を充填し、外気との熱の伝達を遮断している。サーキュレータによって温度制御された水が水槽８２１〜８２４の順番で上方向と下方向に流れることによりセルとの間で熱交換を行い、マッチング液２９を所定の温度に制御する。
この構造により、水路の断面積が常に一定になり、流れの抵抗を低減し水流をスムーズに流すことができ、またセル８１外壁の窓を除くすべての隔壁が循環水水流と接触するため、熱の伝達が良く温度制御の効率を高めることができる。

このような配慮をしても、被検体Ｏの特性によって、射出後の偏光面が回転している場合には、図１に示した装置では、参照波面との偏光面が一致しなくなり、その結果、干渉縞のコントラストが低下して、高精度な測定ができなくなる虞がある。このような場合には、図１０に示すような構成の装置を用いる。
図１０は本発明のさらに他の実施形態を示す図である。
同図において符号４１は回動可能な入射側２分の１波長板、４２は回動可能な出射側２分の１波長板、４３は第３の光束分割素子としてのビームスプリッタ、４４は検光子、４５は結像レンズ、４６は検出器、Ｓはシャッタをそれぞれ示す。また、両頭矢印は直線偏光の振動方向を表す。
本実施形態は、被検体出射後の光束の偏光面を回転させることができる装置である。また、本装置では、被検体Ｏへの光束入射時の偏光方向も精度良く制御できる。
偏光方向回転装置４により偏光方向を例えば紙面に平行な方向に制御し、その後、回動可能な２分の１波長板４１を用いて、偏光方向を被検体Ｏに合わせて適切に制御する。

被検体からの出射光束中に回動可能な出射側２分の１波長板を配置して、射出後に偏光方向が傾いている場合には、以下のように補正する。
光束中にビームスプリッタ４３を設け、光束を側方に分岐し、検光子４４と結像レンズ４５を経て検出器４６で受光する。光束の分岐は常時必要な訳では無いので、必要なときだけ光路中に挿入する単純なミラーであっても良い。シャッタＳ等により、参照波側の光路をカットした状態で、検出器４６で光強度を検出し、その強度が最大となるように出射側２分の１波長板４２を回動させる。検光子４４は、偏光方向を参照波の偏光方向に一致させてある。その結果、２分の１波長板４２通過後の偏光方向は、参照波面の偏光方向と一致するので、非常に精度良く測定することができる。偏光方向回転装置４により制御する偏光方向は既知であれば、検光子４４をその方向に合わせられるので、その方向は限定されない。ビームスプリッタ４３の配置位置をビームスプリッタ１０とビームスプリッタ１１の間に設ければ、参照波をカットするためのシャッタＳは不要になる。
図示しないが、偏光方向回転装置４と、検光子４４を機械的に連動させ両者の偏光方向が常に一致するようにすれば、入射側の２分の１波長板４１を省略できる。

１次元センサ２２としては、一次元ＣＣＤ等のリニアイメージセンサを用いる。あるいは、フォトダイオードアレイでも良い。
リニアイメージセンサを用いることにより、高速測定が可能となるので、電気的制御可能な位相変調素子の動的状態を高精度に測定することが可能となる。
リニアイメージセンサは、１ｍｓ以下でデータを取り込むことができる。これに対し、ツイステッド・ネマティック（ＴＮ）液晶の応答速度は、数十ｍｓであるので十分対応可能である。フーリエ変換法は、１回のデータ取り込みで、干渉縞解析を行うことができるので動的測定に適する。

次に、図７（ａ）を用いて、偏向素子の偏向角θの測定例を示す。有効領域より広い領域でデータを取り込み、基準となる両サイドが水平となるように設定する。そして、有効領域幅をＬ、有効領域での位相差をＷとすると
θ=ａｒｃｔａｎ（Ｗ／Ｌ） （２）
より、偏向角θを測定することができる。なお、両サイドが水平となる設定は、ソフト的な処理でもよい。
また図７（ａ）の平均的な傾きよりθを算出しても良い。
透過波面の位相より、偏向角を測定する場合、測定領域を１０ｍｍとし、位相の測定精度を０．０５λ（λ＝６３３ｎｍ）とすると偏向角θの分解能は約０．７秒であり、非常に高い分解能を得ることができる。

本発明の実施形態を説明するための図である。 ２分の１波長板の動作を説明するための図である。 ファラデー素子の動作を説明するための図である。 電気光学結晶の動作を説明するための図である。 光路差を変化させる装置を説明するための概略図である。 測定結果の一例を示す図である。 測定結果の他の例を示す図である。 本発明の他の実施形態を説明するための図である。 被検体収容装置の構造を示す図である。 本発明のさらに他の実施形態を示す図である。 液晶偏向素子の動作原理を説明するための図である。 本発明を適用しうる液晶偏向素子の他の例を示す図である。 液晶偏向素子のさらに他の例を示す図である。

符号の説明

１ レーザ
４ 偏光方向回転装置
５ ビームエキスパンダ
７ 第１の光束分割素子
８ 被検体収容装置
１１ 第２の光束合成素子
１７ 拡散板
２２ １次元センサ

Claims (24)

1. 可干渉光を出射する光源と、該可干渉光を２光束に分割する光束分割素子と、被検体収容装置と、該２光束を再度合成する光束合成素子と、光束合成により生ずる干渉縞を検出する干渉縞検出素子とを有し、前記２光束のうちの一方は、前記被検体収容装置を透過するように構成されている測定装置において、前記光源と、前記光束分割素子との間に、偏光方向回転装置を設け、形成された干渉縞像から屈折率分布を測定することを特徴とする測定装置。
2. 可干渉光を出射する光源と、該可干渉光を２光束に分割する光束分割素子と、被検体収容装置と、該２光束を再度合成する光束合成素子と、光束合成により生ずる干渉縞を検出する干渉縞検出素子とを有し、前記２光束のうちの一方は、前記被検体収容装置を透過するように構成されている測定装置において、前記光源と、前記光束分割素子との間に、偏光方向回転装置を設け、形成された干渉縞像から偏向角を測定することを特徴とする測定装置。
3. 請求項１または２に記載の測定装置において、前記偏光方向回転装置は、該偏光方向回転装置を通過する光束の進行方向に直交する面内で機械的に回動可能に設けられた２分の１波長板を有することを特徴とする測定装置。
4. 請求項１または２に記載の測定装置において、前記偏光方向回転装置は、該偏光方向回転装置を通過する光束の進行方向にほぼ直交する方向から、強度可変の磁界を与えられるファラデー素子を有することを特徴とする測定装置。
5. 請求項１または２に記載の測定装置において、前記偏光方向回転装置は、該偏光方向回転装置を通過する光束の進行方向に直交する対向面から、電圧値可変の電圧を与えられる電気光学結晶を有することを特徴とする測定装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の測定装置において、前記干渉縞検出素子はリニアイメージセンサであることを特徴とする測定装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載の測定装置において、前記一方の光束が前記被検体収容装置を通過後、前記光束合成素子に入射する前に、光束の進行方向に対し垂直な平面内で回動可能に設けた出射側２分の１波長板と、該２分の１波長板を通過した光束を分岐する分岐素子と、前記２光束のうち他方の光束の偏光方向に偏光方向を合わせた検光子と、光束の光強度を検出する検出器とを備えたことを特徴とする測定装置。
8. 請求項７に記載の測定装置において、前記検光子を光束の進行方向に垂直な面内で回動可能な機構を有し、該機構は、前記偏光方向回転装置により定まる偏光面と、前記検光子の偏光面が一致するよう連動していることを特徴とする測定装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１つに記載の測定装置において、前記一方の光束が前記被検体収容装置に入射する前に、入射側２分の１波長板を光束の進行方向に対し垂直な平面内で回動可能に設けたことを特徴とする測定装置。
10. 請求項９に記載の測定装置を用い、前記被検体収容装置に、偏光依存性を有する空間的位相変調素子である被検体を収容し、前記偏光方向回転装置により光源からの光束の偏光方向を所定の方向に規制し、前記入射側２分の１波長板を透過した光束の偏光方向が前記被検体の光学軸方向に一致するよう前記入射側２分の１波長板を回動させることを特徴とする測定方法。
11. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の測定装置を用い、前記被検体収容装置に、偏光依存性を有する空間的位相変調素子である被検体を収容し、該被検体の光学軸方向に一致するように前記偏光方向回転装置により前記被検体収容装置に入射させる光束の偏光方向を回転させることを特徴とする測定方法。
12. 請求項１０または１１に記載の測定方法において、前記被検体は、電気信号で制御可能な位相変調素子であることを特徴とする測定方法。
13. 請求項１２に記載の測定方法において、前記電気信号で制御可能な位相変調素子は液晶偏向素子であることを特徴とする測定方法。
14. 請求項１０ないし１３のいずれか１つに記載の測定方法において、前記被検体収容装置には、前記被検体とともに該被検体と屈折率がほぼ等しいマッチング液を収容することを特徴とする測定方法。
15. 同一光源からの可干渉光の入射直線偏光が、偏光依存性を有する空間的位相変調素子である被検体の光学軸に対して、平行になるように入射させ、参照波と被検波との重畳による干渉縞像を形成し、形成された干渉縞像から屈折率分布を測定することを特徴とする測定方法。
16. 同一光源からの可干渉光の入射直線偏光が、偏光依存性を有する空間的位相変調素子である被検体の光学軸に対して、平行になるように入射させ、参照波と被検波との重畳による干渉縞像を形成し、形成された干渉縞像から屈折角を測定することを特徴とする測定方法。
17. 請求項１５または１６に記載の測定方法において、前記空間的位相変調素子は電気信号で制御可能な位相変調素子であることを特徴とする測定方法。
18. 請求項１７に記載の測定方法において、前記電気信号で制御可能な位相変調素子は液晶偏向素子であることを特徴とする測定方法。
19. 請求項１５ないし１８に記載の測定方法において、前記被検体は、該被検体と屈折率がほぼ等しいマッチング液浸した状態で測定されることを特徴とする測定方法。
20. 請求項１５ないし１９のいずれか１つに記載の測定方法において、前記入射直線偏光を被検体の光学軸に対して平行になるよう入射させる方法は、光束の進行方向に直交する面内で機械的に回動可能に設けられた２分の１波長板によるものであることを特徴とする測定方法。
21. 請求項１５ないし１９のいずれか１つに記載の測定方法において、前記入射直線偏光を被検体の光学軸に対して平行になるよう入射させる方法は、光束の進行方向にほぼ直交する方向から、強度可変の磁界を与えられるファラデー素子によるものであることを特徴とする測定方法。
22. 請求項１５ないし１９のいずれか１つに記載の測定方法において、前記入射直線偏光を被検体の光学軸に対して平行になるよう入射させる方法は、光束の進行方向に直交する対向面から、電圧値可変の電圧を与えられる電気光学結晶によるものであることを特徴とする測定方法。
23. 請求項１５ないし１９のいずれか１つに記載の測定方法において、前記被検波の光路中に２分の１波長板が挿入されていることを特徴とする測定方法。
24. 請求項１５ないし１９のいずれか１つに記載の測定方法において、前記干渉縞像はリニアイメージセンサを用いて検出することを特徴とする測定方法。
    

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