JP2009139356A - 偏光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光の２次元分布を高速あるいは高精細に計測することのできる計測器を提供することにある。
【解決手段】 透過する偏光の方向が異なる少なくとも２種類の偏光子を交互に繰り返し配置した微小な偏光子アレイと、各偏光子を通過した光の強度を独立に受光することのできるリニアセンサとで構成された偏光計測器を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光情報を測定する装置および測定方法に関するものである。

偏光を計測する技術は、透明フィルムや基板、薄膜の評価には欠かせないものである。特に液晶パネルで用いるフィルムなどでは大面積の計測を行なうためには、高精細な２次元偏光分布計測を高速に行なうことが求められている。

偏光を計測する方法として最も一般的なものは、回転偏光子法と呼ばれる方法である。これは、受光素子の前方に配置した偏光子を回転させながら光強度のデータを取得するものである。データ解析により入射した光の偏光情報（楕円率と長軸方位、あるいはストークスパラメータなど）を求める。この方法は簡便ではあるが、駆動部があり高速あるいは小型化が困難である。

一方、ＣＣＤやＣＭＯＳからなるエリアセンサと、微細な偏光子アレイとを組合わせた偏光の２次元分布画像を取得することができるカメラが報告されている。これはＣＣＤカメラのピクセルに対して、透過偏光軸が異なる微小偏光子が１つずつ配置されており、各画素の出力から偏光状態を計算するものである。しかしながら、エリアセンサでは画素数が１０００から２０００が一般的であることや、転送速度も毎秒数フレームから数十フレームが一般的である。被測定物の微細な構造を検知するためには、更に高精細な偏光画像を高速に取得することが望まれている。
特開２００１−８３３２１号公報 特開平１０−３３５７５８号公報 特開平５−１１３３７１号公報

本発明が解決する課題は、偏光の２次元分布を高速あるいは高精細に計測することのできるセンサーを提供することにある。

本発明の概略は、偏光透過軸の異なる偏光子をライン状に配列し、ライン状の受光素子であるリニアセンサと組み合わせることで、偏光計測を空間的に並列処理する方法である。ただし個別の偏光子を一つ一つ並べるには、偏光透過軸の角度調整や、一つの偏光子のサイズにもミリのオーダーが必要であり高精細化はできない。それらを実現する素子として、例えば特許文献１記載のフォトニック結晶偏光子が挙げられる。この特徴は、光軸の異なる複数の偏光子として一体形成することができる。更に各偏光子の透過偏光方位角度を高精度に決定できること、各領域を微細にすることができること、各領域の境界を無視できるほど（数十ｎｍオーダー）小さくすることができ損失や散乱などを抑えることができる、などが挙げられる。

尚、リニアセンサーはエリアセンサと比べて、１ラインの画素数を多くできるのが特長である。即ち、エリアセンサでは、水平方向の画素数は１０００から２００画素程度であるが、リニアセンサーでは１０００から１００００画素の画素数が実現されており高精細化には適している。

フォトニック結晶偏光子は領域を微細に分割することができるため、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの受光センサに組み合わせることに適している（特許文献３）。センサの素子間隔と偏光子の領域が一致していれば直に接着をして一体化することが可能である。さらに結像レンズと組み合わせれば、測定領域を格段に広げることができ、大面積の一括計測、高スループットの計測が実現できる。あるいは偏光子とＣＣＤの間にリレーレンズを配置して、偏光子アレイの像をＣＣＤ上に結像しても良い。または偏光子アレイと受光素子の間をファイバ束で繋いでも良い。

フォトニック結晶偏光子は図２のような周期的な溝列を形成した透明材料基板２０１上に、透明で高屈折率の媒質２０２と低屈折率の媒質２０３とを界面の形状を保存しながら、交互に積層する。この図では溝方向が９０°異なる２つの領域が一体形成された構造を示している。ここで媒質２０２と２０３の層の厚さと、基板の周期を選ぶことで、特定の波長で偏光子として動作させることができる。即ち、溝に平行な偏光を遮断し、溝に垂直な偏光を透過させることができる。予め溝の方向を変えて凹凸パタンを形成しておくことで、透過軸の異なる偏光子アレイを一括形成することが容易である。

これは自己クローニング技術と呼ばれており、特許文献２に詳しく記載されている。ここでは簡単に説明する。
低屈折率媒質としてはＳｉＯ_２を主成分とする材料が最も一般的であり、透明波長領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜も容易に行なえる。しかしながらその他の光学ガラスでもよく、ＭｇＦ_２のようにより屈折率の低い材料を用いてもよい。高屈折率材料としては、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体や、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４などの酸化物や窒化物が使用でき、透明波長範囲が広く、可視光領域でも使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定されるが、屈折率が大きい利点がある。

基板に形成する凹凸パタンは、電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより周期的な溝を形成する。あるいはフォトリソグラフィや干渉露光、ナノインプリントを用いても良い。

本発明の偏光測定装置は、高速かつ高精細な偏光画像を取得することを可能にするものである。大面積の光学部品の検査工程など用途は広く、新しい検査技術を提供することが可能になる。

図１は本発明の偏光測定装置の構造を示す図である。偏光子アレイ１０１が受光素子アレイであるリニアセンサ１０２と貼り合わされている。リニアセンサは電子回路部に接続され、カメラ１０３から出力信号が出力される。結像レンズ１０４を通して物体を撮影する。

偏光子アレイとしては特許文献１に記載されているフォトニック結晶からなる偏光子を用いる。偏光子アレイのパタンの１例を図１に示す。透過する偏光方向を矢印で表している。透過軸がＸ軸方向とＹ方向の微小偏光子が、リニアセンサのピクセル周期と一致して繰り返し配置されている。受光素子のサイズや数は任意に選ぶことができるが、例えば周期が１０ミクロン、素子数は４０００のものを使用することができる。また読み取り速度は２００μ秒／ライン程度である。

移動する被写体を撮影する際、出力データを繋ぎ合わせていくことで２次元画像を構築することができる。ここで透過軸がＸ軸方向の画素とＹ軸方向の画素とに分離してから画像を構成することで、２つの偏光画像を得ることができる。例えば平坦な物体を斜め方向から撮影する場合、この２つの偏光画像はＳ偏光（偏光軸が面に平行）とＰ偏光（偏光軸が面に垂直方向）の画像に相当する。

より詳細な偏光情報を取得する場合には、偏光子の透過軸の種類を増やすと良い。図３のように、４５°ずつ異なる４つの偏光子が繰り返し配置されている。隣り合う４つのピクセルからの出力は、偏光子の角度に対して出力は正弦波状に変化をすることから、その振幅と平均値から１つの偏光状態（楕円率と長軸方向）を算出することができる。１列ずつ移動しながら４つの輝度情報を用いて偏光情報を計算していくと、空間分解能は１／４になるものの、元のセンサーと同じ画素数で偏光情報を高速に取得することができる。

図４は本発明の実施例を示す図である。これは複数列のリニアセンサを用いることで、空間分解能を落とさずに詳細な偏光情報を取得する方法を示している。リニアセンサ４０３は、汎用のカラーＲＧＢとモノクロ１列からなる４列のリニアセンサをベースにした４列のモノクロのリニアセンサである。４０２はフォトニック結晶からなる４列の偏光子アレイである。各列の透過軸は４５°ずつ異なっており、１枚の基板４０１に一体形成されている。

４列のリニアセンサから信号を読み取る際に、ｙ方向に移動する被写体の移動速度に合わせた遅延時間を与える。これより、被写体の同一点からの光信号で偏光情報を算出することができる。

さらに図５に示すように、一つの列に９０°の位相差を与える１／４波長板を偏光子の上に配置する。これよりストークスパラメータのＳ１からＳ３までを全て算出することができるようになる。

本発明を表わす偏光測定装置の構成 フォトニック結晶偏光子の構造を表す図 本発明を構成する偏光子アレイのパタンを表す図 本発明の実施例を表わす図 本発明の実施例を表わす図

符号の説明

１０１ 偏光子アレイ
１０２ リニアセンサ
１０３ リニアセンサカメラ
１０４ 結増レンズ
２０１ 溝列を形成した基板
２０２ 高屈折率材料
２０３ 低屈折率
３０１ 偏光子アレイ
３０２ リニアセンサ
４０１ 基板
４０２ 偏光子アレイ
４０３ リニアセンサ
５０１ 波長板

Claims (4)

1. 透過偏光軸の方向が異なる２種類の偏光子が一方向に交互に繰り返し配置された偏光子アレイと、前記の各偏光子を通過した光の強度を独立に受光することのできるリニアセンサとを組み合わせたことを特徴とする偏光計測器
2. 透過偏光軸の方向が異なる少なくとも３種類の偏光子が一方向に交互に繰り返し配置された偏光子アレイと、前記の各偏光子を通過した光の強度を独立に受光することのできるリニアセンサとを組み合わせたことを特徴とする偏光計測器
3. ２列または３列または４列のリニアセンサの各列に、透過偏光軸の方向が異なる偏光子が配置され、撮影物体の移動速度に同期させて各リニアセンサからの信号を読み取ることを特徴とする偏光計測器
4. 偏光子アレイとしてフォトニック結晶偏光子であることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の偏光計測器

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