JP2005227019A - 偏光軸の測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏光素子の偏光軸の予め設定した基準軸からの絶対角を簡易に求めることのできる偏光軸の測定方法および測定装置を提供する。
【解決手段】 被測定偏光素子と参照用偏光素子とを重ね合わせると共に、これらの各偏光素子を順に透過した光量が最小または最大となるように上記偏光素子の一方をその法線を中心として回動させて初期状態を設定し、次いで前記偏光素子の一方または他方を所定の基準軸を中心として裏返した後、前記偏光素子の一方または他方をその法線を軸として回動させて上記各偏光素子を透過する光量が最小または最大となるときの前記初期状態からの回動変位角θｄを検出する。そしてこの回動変位角θｄから前記被測定偏光素子の偏光軸の前記基準軸Ａからの絶対角θａを求める。
【選択図】 図２

Description

本発明は、偏光素子の偏光軸の予め設定した基準軸、例えば上記偏光素子の表面上に設定した軸方向からの絶対角を簡易に求め得る偏光軸の測定方法および測定装置に関する。

偏光素子は、特定の方向に偏波面を有する光成分だけを透過する性質を有し、各種の光学系において幅広く利用されている。例えば液晶パネルの欠陥検査においては、検査対象とする液晶パネルに偏光板（偏光素子）を重ね合わせ、その透過光量を検出することで欠陥の有無を判定している（例えば特許文献１を参照）。また、例えば時間的または空間的に偏光方向が変化するレーザ光の各偏光成分の強度を偏光素子を介して測定することで、上記レーザ光の偏光方向を測定する手法も提唱されている（例えば特許文献２を参照）。
特開２００１−２５５５２６号公報 特許第２７３５１５６号公報

ところで、例えばリフレクタ型の光電センサにおいては、検出体の鏡面反射による誤動作を防ぐべく、特定の基準線に沿った偏光軸を持つ偏光素子をその投光部と受光部とに組み込むことが望まれる。この際、予め偏光素子の偏光軸の向きが明らかであれば、その製造・組立の容易化を図ることができ、更には光電センサとしての動作信頼性も確保することが可能となる。

しかしながら従来一般的には、測定対象とする偏光素子（被測定偏光素子）を、予め準備した基準となる偏光素子（参照用偏光素子）に重ね合わせ、これらの各偏光素子を透過した光の強度が最小または最大となるときの上記被測定偏光素子の向きと参照用偏光素子の向きとの角度のずれ（９０°または０°）を相対的に計測しているに過ぎない。これ故、被測定偏光素子の偏光軸の絶対角を求めるには、偏光軸の向きが既知である標準器（計測原器）としての偏光素子（参照用偏光素子）を準備する必要がある。しかし偏光軸の向きが既知である偏光素子（計測原器）は非常に高価であり、その入手も困難である。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、偏光素子の偏光軸の向き、つまり偏光軸の予め設定された基準軸からの絶対角を簡易に求めることのできる偏光軸の測定方法および測定装置を提供することにある。

本発明は、
<１> 予め設定された基準軸Ａからの偏光軸の向き（絶対角）がθａである被測定偏光素子を、上記基準軸Ａを中心として裏返したとき、その偏光軸の向き（絶対角）が−θａとなること、
<２> またこの被測定偏光素子に参照用の偏光素子を重ね合わせたときに、これらの偏光素子を順に透過する光の強度（光量）が最小または最大となるときの前記被測定偏光素子の偏光軸の向きと参照用偏光素子の偏光軸の向きとが９０°（直角）または０°（平行）であることに着目している。
<３> そして前記被測定偏光素子を裏返さないとき（非反転時）に各偏光素子を順に透過した光の強度（光量）が最小または最大となるときの前記参照用偏光素子の向きと、前記被測定偏光素子を裏返したとき（反転時）に各偏光素子を順に透過した光の強度（光量）が最小または最大となるときの前記参照用偏光素子の向きとの角度差が、前記被測定偏光素子の偏光軸の前記基準軸Ａからの絶対角θａと一義的な関係を有することを見出してなされている。

そこで上述した目的を達成するべく本発明に係る偏光軸の測定方法は、
<ａ1> 被測定偏光素子と参照用偏光素子とを重ね合わせると共に、これらの各偏光素子を順に透過した光量が最小または最大となるように上記被測定偏光素子および参照用偏光素子の一方をその法線を軸として回動させて初期状態を設定し、
<ａ2> 次いで前記偏光素子の一方または他方を、その素子面上の予め設定した基準軸Ａを中心として裏返した後、前記偏光素子の一方または他方をその法線を軸として回動させて上記各偏光素子を順に透過する光量が最小または最大となるときの前記初期状態からの回動変位角θｄを検出し、
<ａ3> この回動変位角θｄから前記被測定偏光素子の偏光軸の前記基準軸Ａからの絶対角θａを求めることを特徴としている。

好ましくは請求項２に記載するように前記参照用偏光素子をその法線を軸として回動させると共に、前記被測定偏光素子を基準軸を中心として裏返すようにし、請求項３に記載するように前記被測定偏光素子の偏光軸の前記基準軸Ａからの絶対角θａを前記回動変位角θｄの１／２（＝θｄ／２）として求めることを特徴としている。
また本発明に係る偏光軸の測定装置は、
<ｂ1> 被測定偏光素子と参照用偏光素子とを重ね合わせて配置してこれらの偏光素子を透過した光の強度を検出する受光器と、
<ｂ2> 上記偏光素子の法線を中心として前記被測定偏光素子および参照用偏光素子の一方を回動させる回動手段と、
<ｂ3> 所定の基準軸Ａを軸として前記被測定偏光素子および参照用偏光素子の一方を裏返しに設定する反転手段と、
<ｂ4> 前記一方の偏光素子の反転・非反転時における前記受光器にて検出される光強度が最小または最大となるときの前記被測定偏光素子または参照用偏光素子の前記基準軸からの回動角θ１,θ２をそれぞれ検出する回動角検出手段と、
<ｂ5> これらの回動角θ１,θ２から前記一方の偏光素子の非反転時と反転時とにおける前記被測定偏光素子または参照用偏光素子の回動角度差θｄ（＝θ１−θ２）を求め、この回動角度差から前記被測定偏光素子の偏光軸の前記基準軸Ａからの絶対角θａ（＝θｄ／２）を求める計算手段と
を具備したことを特徴としている。

好ましくは請求項４に記載するように、前記計算手段は、前記回動角検出手段にて検出された各回動角から前記被測定偏光素子の非反転時と反転時とにおける前記参照用偏光素子の回動角度差θｄ（＝θ１−θ２）を求め、この回動角度差θｄの１／２として前記被測定偏光素子の偏光軸の前記基準軸Ａからの絶対角θａ（＝θｄ／２）を求めることを特徴としている。

本発明によれば、所定の基準軸Ａを中心として被測定偏光素子を裏返せば、該被測定偏光素子の偏光軸の向きが上記基準軸Ａを中心として線対称に設定され、これらの各状態における上記被測定偏光素子の偏光軸の向きθａ,−θａに対して参照用偏光素子の偏光軸の向きが９０°となったとき、被測定偏光素子と参照用偏光素子とを順に透過した光量がそれぞれ最小となる。従って被測定偏光素子を裏返えさないときの状態での前記参照用偏光素子の向きと、被測定偏光素子を裏返したときの状態での前記参照用偏光素子の向きとの角度差を求めれば、この角度差は丁度、前記被測定偏光素子を裏返えさないときの該被測定偏光素子の偏光軸の向きと、前記被測定偏光素子を裏返したときの該被測定偏光素子の偏光軸の向きとの角度差に相当する。従って上述した如く求めた参照用偏光素子の向きの角度差の１／２の角度を求めれば、この角度自体が前記被測定偏光素子の偏光軸の前記基準軸Ａからの絶対角θａとなる。

従って本発明によれば、例えば所定の基準軸Ａを中心として被測定偏光素子を裏返しにすること、またこの被測定偏光素子に重ね合わせた参照用偏光素子の、前述した透過光量が最小または最大となるときの回動角をそれぞれ検出することだけで、被測定偏光素子の偏光軸の絶対角を簡易に、且つ正確に検出することが可能となる。そしてこのようにして検出された偏光軸の絶対角（向き）をその被測定偏光素子にマーキングしておけば、当該被測定偏光素子の偏光軸の向きを一目瞭然に把握することが可能となるので、各種光学系に用いる際して多大なる効果が奏せられる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る偏光軸の測定方法および測定装置について説明する。
図１はこの実施形態に係る偏光軸の測定装置の要部概略構成図で、１は予め準備された偏光素子（参照用偏光素子）、２は測定対象とする偏光素子（被測定偏光素子）である。これらの偏光素子１,２はガラス製の板状のものであっても良く、或いは可撓性を有するシート状のものであっても良い。被測定偏光素子２は上記参照用偏光素子１に対して平行に光学的に重ね合わせて着脱自在に設けられるようになっている。これらの偏光素子１,２に対峙させて設けた受光器３は、図示しない光源から照射されて上記２枚の偏光素子１,２を順に透過した光を受光し、その受光強度（受光量）に応じた信号を出力するものである。

このような受光器３と光源とを結ぶ光軸に対して、例えば直角に配置される被測定偏光素子２はその素子表面上において予め設定された基準軸Ａ（被測定偏光素子２が矩形状である場合には、例えばその長辺または短辺の向き）を中心として反転可能に支持され、前記参照用偏光素子１に対峙する面を裏返し（反転状態）に設定し得るように設けられている。また参照用偏光素子１はその法線を回転軸Ｂとして回動自在に設けられており、またその回動角が、例えば前記基準軸Ａからの変位角度として回動角検出部４にて計測し得るようになっている。

さて前記受光器３からの出力を受けるレベル検出部５は、前記参照用偏光素子１をその法線（回転軸Ｂ）を中心として回動させたときの前記２枚の偏光素子１,２を順に透過した光の強度（光量）が最小または最大となる状態を検出するものである。例えば図２(ａ)に示す初期状態から参照用偏光素子１を回動させ、これらの２枚の偏光素子１,２を順に透過した光の強度（光量）が最小または最大となったとき（この例では最小となったとき）、レベル検出部５は前記回動角検出部４をトリガする。このトリガを受けて回動角検出部４は、図２(ｂ)に示すように前記参照用偏光素子１の初期状態からの回動角θｂ１を検出する。メモリ６は、このようにして前記被測定偏光素子２の表面を参照用偏光素子１に対峙させている状態にて検出される前記参照用偏光素子１の回動角θｂ１を一時記憶する役割を担う。

その後、前記被測定偏光素子２を反転させてその裏面を参照用偏光素子１に対峙させ、この状態にて参照用偏光素子１をその法線（回動軸Ｂ）を軸として再度回動させる。そして参照用偏光素子１を回動させ、図２(ｃ)に示すように前記２枚の偏光素子１,２を順に透過した光の強度（光量）が最小となったときの回動角θｂ２を同様にして検出する。このようにして検出された前記参照用偏光素子１の回動角θｂ２は、上記メモリ６に一時記憶された回動角θｂ１と共に偏光軸計算部７に与えられる。

この偏光軸計算部７は、これらの２つの回動角θｂ１,θｂ２に従って以下に説明するように前記被測定偏光素子２の偏光軸の前記基準軸Ａからの向き、即ち、その絶対角θａを計算する役割を担っている。具体的には参照用偏光素子１に重ね合わせた被測定偏光素子２の偏光軸が前記基準軸Ａに対してθａ（未知数）なる角度を有しているものとすると、これらの２枚の偏光素子１,２を順に透過した光の強度が最小となるときの前記参照用偏光素子１の偏光軸の向きは、上記被測定偏光素子２の偏光軸の向きに対して直角であり、図２(ｂ)に示すように基準軸Ａからの角度は［θａ＋９０°］である。

そこで先ず、この状態での前記参照用偏光素子１の前記基準軸Ａからの回動角θｂ１を前記回動角検出部４にて求め、この回動角θｂ１を前記メモリ６に記憶する。しかる後、前記被測定偏光素子２を前記基準軸Ａを中心にして裏返すと、この被測定偏光素子２の偏光軸の向きは基準軸Ａを軸として線対称に反転するので、図２(ｃ)に示すようにその偏光軸の基準軸Ａに対する角度は−θａとなる。そしてこの裏返し（反転）による被測定偏光素子２の偏光軸の向きの変位角度は、上記角度θａの２倍（２θａ）となる。

そこでこの裏返された被測定偏光素子２に対して前述した光の強度（光量）が最小となるように前記参照用偏光素子１をその法線（回転軸Ｂ）を中心として回動させる。すると上記光の強度（光量）が最小となる前記参照用偏光素子１の位置は、前述したように被測定偏光素子２の偏光軸の向き（−θａ）に対して前記参照用偏光素子１の偏光軸の向きが直角となる位置、即ち、［−θａ＋９０°］であるから、そのときに求められる前記参照用偏光素子１の前記基準軸Ａからの回動角θｄ２と前記メモリ６に記憶した前記参照用偏光素子１の回動角θｄ１との差［θｄ２−θｄ１］を求めれば、参照用偏光素子１を裏返す前の偏光軸と裏返した後の偏光軸との角度差を回動変位角θｄとして求めることができる。

そしてこの参照用偏光素子１の偏光軸の回動変位角θｄは、前記回動角検出部４にて回動角θｄ１,θｄ２をそれぞれ求めたときの、２枚の偏光素子１.２の偏光軸が直交していると言う条件を満たすので、前述した被測定偏光素子２の偏光軸の向きの変位角度２θａに等しい。従って上記参照用偏光素子１の偏光軸の回動変位角θｄから前記被測定偏光素子２の偏光軸の基準軸Ａからの絶対角θａを
θａ＝θｄ／２
として算出することが可能となる。

このように本発明によれば参照用偏光素子１に被測定偏光素子２を重ね合わせて、これらの２枚の偏光素子１,２を順に透過する光量が最小となるときの上記参照用偏光素子１の法線（回転軸Ｂ）を中心とする回動角θｄ１を初期状態として求め、しかる後、前記被測定偏光素子２を所定の基準軸Ａを中心として反転させて（裏返しにし）前記２枚の偏光素子１,２を順に透過する光量が最小となるまで前記参照用偏光素子１を回動させ、そのときの回動角θｄ２と上記初期状態での回動角θｄ１とからその回動変位角θｄを求めれば、この回動変位角θｄの１／２として前記被測定偏光素子２の偏光軸の前記基準軸Ａからの絶対角θａを簡易に求めることができる。

しかも参照用偏光素子１の偏光軸の向きが不明であっても、参照用偏光素子１の回動変位角θｄを計測するだけで、被測定偏光素子２の偏光軸の前記基準軸Ａからの絶対角θａを求めることができる。従って偏光軸の向きが予め高精度に規定されて明らかとなっている標準偏光素子（計測原器）を準備することなく、例えばリフレクタ型の光電センサの設置現場において偏光素子の偏光軸を容易に調べることが可能となるので、そのメンテナンス作業の容易化を図ったり、各種光学系（光学機器）の製造・組立の容易化を図り得る等の実用上多大なる効果が奏せられる。

また偏光素子１,２の偏光軸は、例えばそのシート内の全域に亘って同じ向きに揃っている。これ故、シート状の被測定偏光素子２の偏光軸の絶対角θａが上述した如く求められたならば、例えば既知となった偏光軸の向きと、これに直交する向きとを切断方向として定めて上記シート状の被測定偏光素子２を矩形状に小さく分割するだけで、偏光軸方向を規定した複数の偏光素子片を量産することが可能となる。また逆に１枚のシートを切断して量産された複数の偏光素子片の１つについて前述したようにその偏光軸の向きを調べれば、これによって残りの偏光素子片の偏光軸の向きを一括して求めることが可能となる等の効果も奏せられる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態においては２枚の偏光素子１,２を透過した光の強度（光量）が最小となる状態を検出したが、２枚の偏光素子１,２を透過した光の強度（光量）が最大となる状態を検出するようにしても良い。即ち、２枚の偏光素子１,２を透過した光の強度（光量）が最大となる状態は、２枚の偏光素子１,２の各偏光軸が平行に揃った状態であるので、この場合においても基準軸Ａを中心として被測定偏光素子２を裏返しにしたときの偏光軸の変位角２θａと、参照用偏光素子１の回動変位角θｄとの間に同様な関係が成立する。従ってこの場合においても、被測定偏光素子２の偏光軸の前記基準軸Ａからの絶対角θａを容易に求めることができる。

また実施形態においては参照用偏光素子１をその法線を軸として回動させ、被測定偏光素子２を裏返しにするものとして説明したが、逆に被測定偏光素子２をその法線を軸として回動させ、参照用偏光素子１を裏返しにしても同様に偏光軸の絶対角を検出することができる。但し、この場合には参照用偏光素子１の偏光軸の絶対角を求めることになるので、２枚の偏光素子１,２を順に透過した光の強度（光量）最小または最大となったときの被測定偏光素子２の回動角を上記絶対角に加算して、被測定偏光素子２の偏光軸の絶対角を求めるようにすれば良い。

また参照用偏光素子１および被測定偏光素子２の一方を固定的に設け、他方を回動および裏返し可能に設けても同様に偏光軸の絶対角を検出することができる。例えば参照用偏光素子１を回動させて透過光量が最小となるようにする。この場合、被測定偏光素子２の偏光軸が１時方向であるとすれば、参照用偏光素子１の偏光軸は４時方向となる。次いでこの状態から参照用偏光素子１を基準軸Ａを中心として裏返した後（参照用偏光素子１の偏光軸を８時方向とした後）、参照用偏光素子１を回動させて透過光量が最小となるまで回動させ（参照用偏光素子１の偏光軸が１０時方向となる）、そのときの回動角（１０時方向−８時方向；６０°）を求めればその回動角の１／２を被測定偏光素子２の偏光軸の絶対角（３０°；１時方向）として求めることが可能となる。

更には参照用偏光素子１および被測定偏光素子２の一方を裏返しにするに際しては、偏光素子１,２が矩形状である場合、その一辺と直交する向きに基準軸Ａをとり、偏光素子１,２の一辺を直定規等の直線ガイドに当接させてその反転の向きを規制するようにすれば良い。このようにすれば基準線Ａに直交する直線ガイドにより偏光素子１,２の反転の向きを正確に規制して裏返すことができ、そのための構成も簡単である。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の一実施形態に係る偏光軸の測定装置の概略構成図。 本発明の一実施形態に係る偏光軸の測定方法を説明する為の測定原理図。

符号の説明

１ 参照用偏光素子
２ 被測定偏光素子
３ 受光器
４ 回転角検出部
５ レベル検出器
６ メモリ
７ 偏光軸計算部

Claims (5)

1. 被測定偏光素子と参照用偏光素子とを重ね合わせると共に、これらの偏光素子を順に透過した光量が最小または最大となるように上記偏光素子の一方をその法線を軸として回動させて初期状態を設定し、
   次いで前記偏光素子の一方または他方を予め設定した基準軸を中心として裏返した後、前記偏光素子の一方または他方をその法線を軸として回動させて上記各偏光素子を順に透過する光量が最小または最大となるときの前記初期状態からの回動変位角を検出し、この回動変位角から前記被測定偏光素子の偏光軸の前記基準軸からの絶対角を求めることを特徴とする偏光軸の測定方法。
2. 前記法線を軸として回動させる偏光素子は参照用偏光素子であって、基準軸を中心として裏返す偏光素子は被測定偏光素子である請求項１に記載の偏光軸の測定方法。
3. 前記被測定偏光素子の偏光軸の前記基準軸からの絶対角は、前記回動変位角の１／２として求められる請求項１に記載の偏光軸の測定方法。
4. 被測定偏光素子と参照用偏光素子とを重ね合わせて配置してこれらの偏光素子を順に透過した光の強度を検出する受光器と、
   前記被測定偏光素子および参照用偏光素子の一方をその法線を軸として回動させる回動手段と、
   予め設定した基準軸を軸として前記被測定偏光素子および参照用偏光素子の一方を裏返しに設定する反転手段と、
   前記一方の偏光素子の反転・非反転時における前記受光器にて検出される光強度が最小または最大となるときの前記被測定偏光素子または参照用偏光素子の前記基準軸からの回動角をそれぞれ検出する回動角検出手段と、
   これらの回動角から前記一方の偏光素子の非反転時と反転時とにおける前記被測定偏光素子または参照用偏光素子の回動角度差を求め、この回動角度差から前記被測定偏光素子の偏光軸の前記基準軸からの絶対角を求める計算手段と
   を具備したことを特徴とする偏光軸の測定装置。
5. 前記計算手段は、前記回動角検出手段にて検出された各回動角から前記一方の偏光素子の非反転時と反転時とにおける前記被測定偏光素子または参照用偏光素子の回動角度差を求め、この回動角度差の１／２として前記被測定偏光素子の偏光軸の前記基準軸からの絶対角を求めるものである請求項４に記載の偏光軸の測定装置。

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