JP2006058055A - 複屈折測定装置及びストークスパラメータ算出プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】安価でシンプルな構造としながら、製作が容易で、高精度の測定が可能な複屈折測定装置を提供する。
【解決手段】光の複屈折特性を測定する複屈折測定装置１００は、計測対象となるサンプル４を通過した光源１からの光の位相状態を変化させる位相板５と、位相板５を通過した光を所定の偏光方向に偏光する偏光子６と、偏光板６を通過した光を検出するイメージセンサ７と、イメージセンサ７において検出された光の強度に基づいてサンプル４からの光に関するストークスパラメータを算出する制御部８１とを備え、位相板５は、光を通過させる主軸方位が位置によって異なり、主軸方位を少なくとも４つ有し、位相板５は単一の位相板で構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光の複屈折特性を測定する複屈折測定装置に関する。

従来、光や物質の複屈折特性（Ｒｅ：リタデーション、主軸方位、及びストークスパラメータ等）を測定する装置が広く使用されている。これらの装置として、回転検光子型、回転補償子型、光弾性補償子型、ストークスメータ等が知られている。回転検光子型、回転補償子型、及びストークスメータでは、検光子や補償子等を回転させる駆動機構が必要となるため構造が複雑になってしまう。又、光弾性補償子型の装置では、温度による影響を受けやすいために温度を一定に保つための制御部等の付加的構成が多くなると共に、光弾性補償子自体が高価であるため、装置全体として高価になってしまう。

そこで、安価でシンプルな構造としながら、複屈折特性の測定を可能とする装置が提案されている（特許文献１参照）。この装置は、対象物からの光を集光する集光光学系と、集光光学系からの光の位相状態を変化させる位相板であって、その進相軸の角度が互いに異なる４つの位相板と、４つの位相板のそれぞれからの光を受光する複数の受光素子と、複数の受光素子のそれぞれにおいて受光された光の強度に基づいて、対象物からの光に関する部分偏光状態も記述できるストークスパラメータを算出する演算処理手段とを備えている。

特開２００２−１１６０８５号公報

特許文献１記載の装置は、複数の受光素子の位置と４つの位相板とを精密に位置合わせを行う必要がある。この装置では、４つの位相板を同一平面上で貼り合わせた１枚の位相板アレイを用いているため、位相板アレイの各位相板同士に貼り合わせ誤差が生じた場合には、複数の受光素子の位置と各位相板との位置がずれたり、各位相板に段差が生じたりしてしまい、この結果、測定精度が落ちてしまうという問題点がある。又、各位相板を精度良く貼り合わせる必要があるため、位相板アレイの製造が困難であり、装置の製作を容易に行うことができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、安価でシンプルな構造としながら、製作が容易で、高精度の測定が可能な複屈折測定装置を提供することを目的とする。

本発明の複屈折測定装置は、光の複屈折特性を測定する複屈折測定装置であって、測定対象となる対象物を通過又は反射した光源からの光の位相状態を変化させる位相板と、前記位相板を通過した光を所定の偏光方向に偏光する偏光子と、前記偏光子を通過した光を検出する光検出手段と、前記光検出手段において検出された光の強度に基づいて前記対象物からの光に関するストークスパラメータを算出するストークスパラメータ算出手段とを備え、前記位相板は、光を通過させる主軸方位が位置によって異なり、前記主軸方位を少なくとも４つ有し、前記位相板は単一の位相板で構成されている。

この構成により、製作が容易になると共に、高精度の測定が可能となる。

本発明の複屈折測定装置は、前記光検出手段が複数の受光素子を含み、前記ストークスパラメータ算出手段は、前記受光素子で受光された光の強度と、予め記憶されている前記受光素子に対応する前記位相板の位置での前記主軸方位とを用いて、前記ストークスパラメータを算出する。

この構成により、製作が容易になると共に、高精度の測定が可能となる。

本発明の複屈折測定装置は、前記位相板が、前記主軸方位が放射状に変化している。

この構成により、製作が容易になると共に、高精度の測定が可能となる。

本発明の複屈折測定装置は、前記位相板が、前記主軸方位が同心円状に変化している。

この構成により、製作が容易になると共に、高精度の測定が可能となる。

本発明のストークスパラメータ算出プログラムは、コンピュータを、前記ストークスパラメータ算出手段として機能させるためのプログラムである。

本発明によれば、安価でシンプルな構造としながら、製作が容易で、高精度の測定が可能な複屈折測定装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態を説明するための複屈折測定装置の概略構成を示す図である。本実施形態の複屈折測定装置は、対象物からの光の全てのストークスパラメータ（完全偏光状態と部分偏光状態を含む）を測定するものであり、原理的には回転補償子型とほぼ同じである。ただし、回転補償子型は、回転補償子をわずかに回転させながら、その主軸方位を変えていくことで、全てのストークスパラメータの測定を可能としているが、本実施形態の複屈折測定装置は、回転補償子を回転させることなく、特別な補償子（位相板）を用いて全てのストークスパラメータの測定を行う。

図１に示す複屈折測定装置１００は、光源１と、光源１からの光をコリメートするコリメートレンズ２と、コリメートレンズ２からの光を直線偏光光にする偏光板３と、測定対象となるサンプル（対象物）４と、サンプル４を通過した光の位相状態を変化させる位相板５と、位相板５を通過した光を所定の偏光方向（例えば図１の矢印ａ方向）に偏光する偏光子である偏光板６と、偏光板６を通過した光を検出する光検出手段であるイメージセンサ７と、イメージセンサ７に接続され、イメージセンサ７において検出された光の強度に基づいてサンプル４からの光に関するストークスパラメータを算出するコンピュータ８とを備える。

位相板５は、本実施形態ではλ／４位相板とするが、これに限定されない。位相板５は、光を通過させる主軸方位が位置によって異なるものを用いる。位置とは、位相板５を光源１側から見たときの位相板５の表面上の位置のことである。図２は、位相板５を光源１側から見たときの平面図である。位相板５としては、例えば図２（ａ）に示すように、矢印で示す主軸方位が同心円状に変化しているものや、図２（ｂ）に示すように、矢印で示す主軸方位が放射状に変化しているものを用いることができる。図２（ａ）では同心円が完全な円となっているが、これは楕円であっても良い。コンピュータ８によって全てのストークスパラメータを算出するためには、位相板５が少なくとも４つの異なる主軸方位を有していれば良い。

位相板５は、特許文献１記載の位相板アレイのように、複数の位相板を同一平面上で貼り合わせたものではなく、単一の位相板に少なくとも４つの異なる主軸方位を持たせたものである。特許文献１記載の位相板アレイでは、複数の位相板を貼り合わせているため、位相板アレイには、位相板と位相板との接触部分に構造的な境界が存在している。ところが、位相板５は単一の位相板で構成されているため、上記構造的な境界は存在しておらず、従来問題となっている貼り合わせ誤差というものは発生し得ない。この違いが本発明の特徴である。ここで言う構造的な境界とは、物と物（例えば２つの位相板）とが接触しているときの接触部分のことである。位相板５は、複数の主軸方位を持っているため、その内部において、ある主軸方位を持つ位置と別の主軸方位を持つ位置との境界があるが、この境界は上記で言っている構造的な境界には含まれない。

尚、図２（ａ）に示したような位相板５は、ポリイミド等の配向剤を塗布した基板をその中心を軸に回転させながら、布や植毛ロールによって回転方向にラビングにより配向膜を作成し、更に、その基板に複屈折特性を持つ液晶分子を含むポリマーを塗布、加熱、冷却硬化するが、その際、リタデーションがλ／４になるような適正な製造条件を選択することで製造することができる。
又、図２（ｂ）に示したような位相板５は、ポリイミド等の配向剤を塗布した基板の中心から、布や植毛ロールにより小面積で接触するように、全ての角度について外側方向にラビングすることで配向膜を作成し、更に、その基板に複屈折特性を持つ液晶分子を含むポリマーを塗布、加熱、冷却硬化するが、その際、リタデーションがλ／４になるような適正な製造条件を選択することで製造することができる。

イメージセンサ７は、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のものが用いられ、基板上に２次元状に配列された複数の受光素子（例えばフォトダイオード）によって光を検出する。複屈折測定装置１００の測定精度を優先する場合にはＣＣＤ型のイメージセンサを用い、測定速度を優先する場合にはＣＭＯＳ型のイメージセンサを用いれば良い。イメージセンサ７の受光範囲は、位相板５の全面を通過する光を検出することのできる範囲に設定されている。つまり、位相板５を通過した光が全てイメージセンサ７の複数の受光素子によって受光されるようになっている。位相板５の表面は、複数の受光素子の各々に対応して、複数の領域（上記位置に相当）に分割することができ、各領域を通過した光は、各領域に対応する受光素子によって受光されるようになっている。このため、コンピュータ８では、各受光素子で受光された光が、位相板５のどの領域を通過した光なのかを判断することができる。 尚、位相板５の各領域は非常に小さいものとなっている。このため、各領域が持つＲｅや主軸方位は、複数種類が混合しておらず、１種類だけとみなすことができる。

コンピュータ８は、制御部８１と、記憶部８２とを備える。
記憶部８２は、ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶媒体とそのドライブとを含む。記憶媒体には、イメージセンサ７に含まれる複数の受光素子のそれぞれに対応する位相板５の各領域でのＲｅや主軸方位（或いはミューラ行列）等の特性情報がルックアップテーブルとして予め記憶されている。このルックアップテーブルは、位相板５を複屈折測定装置１００に組み込む前に、位相板５の任意の領域におけるＲｅや主軸方位（或いはミューラ行列）を２次元走査複屈折測定装置にて測定しておき、測定して得られた特性情報をコンピュータ８に入力することで、コンピュータ８により生成及び記憶される。尚、記憶部８２は、コンピュータ８の外部にあっても良い。

制御部８１は、記憶部８２に記憶される所定のプログラムによって動作するプロセッサを主体に構成され、コンピュータ８全体を統括制御する。制御部８１は、各受光素子から出力された電気信号から、各受光素子で受光した光の強度を求め、この強度と、各受光素子に対応する位相板５の領域での主軸方位とを用いて、サンプル４からの光に関するストークスパラメータを算出する。

以下、図１に示す複屈折測定装置１００の動作を説明する。
光源１からの光は、コリメートレンズ２によってコリメートされた後、偏光板３に入射し、ここで直線偏光光に変換されてサンプル４に入射する。光は、サンプル４で位相変調の影響を受けて楕円偏光光となり、位相板５に入射する。位相板５は、上述したように、領域（位置）毎に主軸方位が異なる、つまり、領域毎に光の変調が異なる。このため、位相板５の各領域に入射した光は、領域毎に異なる変調を受けて偏光板６に入射し、偏光板６にて所定の偏光方向に偏光された後、イメージセンサ７に入射する。イメージセンサ７は、入射された光を複数の受光素子で受光し、受光した光を電気信号に変換して制御部８１に出力する。制御部８１は、イメージセンサ７からの電気信号に基づき、各受光素子で受光した光の強度を求め、更に、各受光素子に対応する位相板５の領域の持つ主軸方位を記憶部８２に記憶されたルックアップテーブルから読み出す。そして、上記求めた光の強度と、各領域での主軸方位とを用いて、サンプル４からの光に関するストークスパラメータを算出し、算出したストークスパラメータを記憶部８２に記憶する。

以上のように、複屈折測定装置１００によれば、回転補償子の代わりに位相板５を用いて全てのストークスパラメータを算出することができる。このため、補償子を回転させる駆動機構が不要となり、安価でシンプルな構造とすることができる。又、複屈折測定装置１００によれば、１回の測定で複数の主軸方位での光強度をまとめて検出することができるため、ストークスパラメータの算出を高速に行うことができる。又、複屈折測定装置１００によれば、従来用いているような複数の位相板を貼り合わせた位相板アレイのかわりに、単一の位相板で構成された位相板５を用いているため、従来問題となっていた貼り合わせ誤差が生じることはない。又、位相板５は、従来の位相板アレイよりも製造が容易である。このため、装置の製作が容易になると共に、測定精度を従来よりも向上させることができる。又、複屈折測定装置１００によれば、実測データを基に生成されたルックアップテーブルを用いてストークスパラメータの算出を行うため、正確な測定を行うことができる。

尚、上記では、サンプル４を通過した光を位相板５に入射させる構成としたが、サンプル４を反射した光を位相板５に入射させる構成としても同様の効果を得ることができる。 又、イメージセンサ７として２次元センサを用いたが、１次元センサを複数用いた構成であっても良い。又、複屈折状態を変化させないために、コリメートレンズ２のＮＡはできるだけ小さいことが望ましい。

本発明の実施形態を説明するための複屈折測定装置の概略構成を示す図 本発明の実施形態を説明するための複屈折測定装置の位相板の主軸方位を示す図

符号の説明

１００ 複屈折測定装置
１ 光源
２ コリメートレンズ
３、６ 偏光板
４ サンプル
５ 位相板
７ イメージセンサ
８ コンピュータ
８１ 制御部
８２ 記憶部

Claims (5)

1. 光の複屈折特性を測定する複屈折測定装置であって、
   測定対象となる対象物を通過又は反射した光源からの光の位相状態を変化させる位相板と、
   前記位相板を通過した光を所定の偏光方向に偏光する偏光子と、
   前記偏光子を通過した光を検出する光検出手段と、
   前記光検出手段において検出された光の強度に基づいて前記対象物からの光に関するストークスパラメータを算出するストークスパラメータ算出手段とを備え、
   前記位相板は、光を通過させる主軸方位が位置によって異なり、前記主軸方位を少なくとも４つ有し、
   前記位相板は単一の位相板で構成されている複屈折測定装置。
2. 請求項１記載の複屈折測定装置であって、
   前記光検出手段は、複数の受光素子を含み、
   前記ストークスパラメータ算出手段は、前記受光素子で受光された光の強度と、予め記憶されている前記受光素子に対応する前記位相板の位置での前記主軸方位とを用いて、前記ストークスパラメータを算出する複屈折測定装置。
3. 請求項１又は２記載の複屈折測定装置であって、
   前記位相板は、前記主軸方位が放射状に変化している複屈折測定装置。
4. 請求項１又は２記載の複屈折測定装置であって、
   前記位相板は、前記主軸方位が同心円状に変化している複屈折測定装置。
5. コンピュータを、請求項１〜４のいずれか記載のストークスパラメータ算出手段として機能させるためのストークスパラメータ算出プログラム。

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