JP2010145332A - 光学特性計測装置、光学特性計測方法、および光学特性計測装置の校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機械駆動を必要とせず測定対象の光学特性を高精度に計測することが可能な光学特性計測装置、光学特性計測方法および光学特性計測装置の校正方法を提供すること。
【解決手段】光源１２と、第１及び第２の偏光変調器２０、４０と、測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部５０と、測定光の光強度をフーリエ解析し、当該フーリエ係数に基づき試料３０のミュラー行列の要素を算出する演算処理部７０とを含み、第１の偏光変調器２０は、第１の偏光子２１、第１及び第２の液晶素子２２、２４を含み、第２の偏光変調器４０は、第２の偏光子４６、第３及び第４の液晶素子４２、４４を含み、光源１２から出射された光を、第１の偏光子２１、第１及び第２の液晶素子２２、２４を介して試料３０に入射させ、試料３０によって変調された光を、第３及び第４の液晶素子４２、４４及び第２の偏光子４６を介して受光部５２に入射させるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象の光学特性を表す行列を算出する光学特性計測装置、光学特性計測方法、および光学特性計測装置の校正方法に関する。

物質のもつ偏光特性には二色性、円二色性、複屈折、旋光及び偏光解消がある。これらの偏光特性は４行４列のミュラー行列を用いて表すことができる。すなわち測定対象のミュラー行列を測定することにより測定対象の全ての偏光特性を測定することができる。測定対象のミュラー行列を求める手法として２重回転位相子法が知られている（例えば特許文献１参照）。この手法では位相子の回転を用いるため機械駆動が必要であり、装置が大型化する。また機械駆動を必要としない液晶リターダを用いたミュラー行列の計測手法が知られている（例えば特許文献２参照）。この手法では、サンプルを計測する前に理想サンプル（キャリブレーションサンプル）の計測とサンプルを設置しない状態での計測を必要する。この手法では、理想サンプルは必ずしも理想であるとは限らないため、正しい校正を行うことができない。またこの手法では、液晶リターダを４回変調してミュラー行列を求めているため、周期的なノイズを取り除くことができず高精度な計測を行うことができない。
ＷＯ２００７／１１１１５９号公報 特開２００４−２７１５１０号公報

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、機械駆動を必要とせず測定対象のミュラー行列を高精度に計測することが可能な光学特性計測装置、光学特性計測方法、および光学特性計測装置の校正方法を提供することにある。

（１）本発明は、測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置であって、
所定の波長の光を出射する光源と、
第１及び第２の偏光変調器と、
前記第１及び第２の偏光変調器と前記測定対象で前記光を変調させることによって得られる測定光を受光する受光部と、を含む光学系と、
前記測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記測定光の光強度をフーリエ解析し、当該フーリエ係数に基づき前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理部とを含み、
前記第１の偏光変調器は、第１の偏光子、第１及び第２の液晶素子を含み、
前記第２の偏光変調器は、第２の偏光子、第３及び第４の液晶素子を含み、
前記光源から出射された光を、前記第１の偏光子、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第３の液晶素子、前記第４の液晶素子及び前記第２の偏光子を介して前記受光部に入射させるように構成される。

本発明によれば、機械駆動とキャリブレーションサンプルを必要とせず測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を計測することができる。

（２）本発明は、測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置であって、
光学系に含まれる第１及び第２の偏光変調器及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理部とを含み、
前記第１の偏光変調器は、第１の偏光子、第１及び第２の液晶素子を含み、
前記第２の偏光変調器は、第２の偏光子、第３及び第４の液晶素子を含み、
前記測定光は、光源から出射された所定の波長の光を、前記第１の偏光子、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第３の液晶素子、前記第４の液晶素子及び前記第２の偏光子を介して受光部に入射させることで得られる光であり、
前記演算処理部では、
前記測定光の光強度をフーリエ解析し、当該フーリエ係数に基づき前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う
ことを特徴とする。

本発明によれば、機械駆動とキャリブレーションサンプルを必要とせず測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を計測することができる。

（３）また本発明に係る光学特性計測装置では、
前記第１及び第２の偏光子の主軸方位と、前記第２及び第３の液晶素子の主軸方位とがそれぞれ０°であり、前記第１及び第４の液晶素子の主軸方位がそれぞれ４５°である。

（４）また本発明に係る光学特性計測装置では、
前記演算処理部が、
前記第１及び第２の液晶素子の複屈折位相差δ_１、δ_２をδ、前記第３及び第４の液晶素子の複屈折位相差δ_３、δ_４を５δとして位相変調したときの前記測定光の光強度をフーリエ解析し、当該フーリエ係数に基づき前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う。

（５）本発明は、測定対象の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、
光学系に含まれる第１及び第２の偏光変調器及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得手順と、
前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理手順とを含み、
前記第１の偏光変調器は、第１の偏光子、第１及び第２の液晶素子を含み、
前記第２の偏光変調器は、第２の偏光子、第３及び第４の液晶素子を含み、
前記測定光は、光源から出射された所定の波長の光を、前記第１の偏光子、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第３の液晶素子、前記第４の液晶素子及び前記第２の偏光子を介して受光部に入射させることで得られる光であり、
前記演算処理手順では、
前記測定光の光強度をフーリエ解析し、当該フーリエ係数に基づき前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行うことを特徴とする。

本発明によれば、機械駆動とキャリブレーションサンプルを必要とせず測定対象の光学特性を表す行列の行列要素を計測することができる。

（６）本発明は、
所定の波長の光を出射する光源と、第１及び第２の偏光変調器と、前記第１及び第２の偏光変調器と前記測定対象で前記光を変調させることによって得られる測定光を受光する受光部と、を含む光学系と、
前記測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と
前記測定光の光強度をフーリエ解析し、当該フーリエ係数に基づき前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理部とを含み、
前記第１の偏光変調器は、第１の偏光子、第１及び第２の液晶素子を含み、
前記第２の偏光変調器は、第２の偏光子、第３及び第４の液晶素子を含み、
前記光源から出射された光を、前記第１の偏光子、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第３の液晶素子、前記第４の液晶素子及び前記第２の偏光子を介して前記受光部に入射させるように構成された光学特性計測装置の校正方法であって、
所定の波長の光を前記第１の偏光変調器に入射させ、前記第１の偏光変調器からの出射光のストークスパラメータをストークスポラリメータを用いて算出し、算出したストークスパラメータに基づき前記第１の偏光変調器の校正を行う手順と、
所定の波長の光を前記第２の偏光変調器に入射させ、前記第２の偏光変調器からの出射光のストークスパラメータをストークスポラリメータを用いて算出し、算出したストークスパラメータに基づき前記第２の偏光変調器の校正を行う手順と、
校正された前記第１及び第２の偏光変調器を含む前記計測装置において、前記測定対象を設置しない状態で光学特性を表す行列の行列要素を算出する手順と、
前記測定対象を設置しない状態での前記測定光の光強度をフーリエ解析した際の当該フーリエ係数と前記第３及び第４の液晶素子の主軸方位の設置誤差との関係式を、主軸方位の設置誤差を考慮した前記第３及び第４の液晶素子のミュラー行列に基づき算出する手順と、
前記フーリエ係数と前記設置誤差との関係式と、前記測定対象を設置した状態での測定光の光強度をフーリエ解析した際の当該フーリエ係数と前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素との関係式とに基づき、前記設置誤差と前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素との関係式を求める手順と、
前記設置誤差と前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素との関係式と、算出した前記光学特性を表す行列の行列要素とに基づき、前記設置誤差を算出する手順と、
算出した前記設置誤差と、算出した前記第２の偏光変調器からの出射光のストークスパラメータとに基づき前記第２の偏光変調器の校正を行う手順とを含む。

本発明によれば、第１及び第２の偏光変調器を構成する各液晶素子の主軸方位の設置誤差と各液晶素子の複屈折位相差の変調誤差とを補正して光学特性計測装置の正しい校正を行うことができる。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．装置の構成
図１は、本実施形態の計測装置（光学特性計測装置）の構成を説明するためのブロック図である。計測装置１は、測定対象である試料３０のミュラー行列（光学特性を表す行列）を計測する装置である。計測装置１は、光学系１０と、光強度情報取得部５０と、制御装置６０とを含む。光強度情報取得部５０では、光学系１０に含まれる光学素子及び試料３０によって変調された測定光の光強度情報を取得する。制御装置６０は演算処理部７０を含み、演算処理部７０では、光学系１０に含まれる光学素子及び試料３０を透過した光の光強度に基づき試料３０のミュラー行列の要素を算出する演算処理を行う。以下、計測装置１の装置構成について説明する。

１−１．光学系
光学系１０は、光源１２と受光部５２を含む。また光学系１０は、光源１２と受光部５２とを結ぶ光路Ｌ上に設けられた、第１の偏光子２１と第１、第２の液晶素子２２、２４とを含む第１の偏光変調器２０、第３、第４の液晶素子４２、４４と第２の偏光子４６（検光子）とを含む第２の偏光変調器４０を含む。これらの光学素子は、光源１２から出射された光を、第１の偏光子２１、第１の液晶素子２２、第２の液晶素子２４を介して試料３０に入射させ、試料３０を透過した光を、第３の液晶素子４２、第４の液晶素子４４、第２の偏光子４６を介して受光部５２に入射させるように配列されている。以下、それぞれについて説明する。

光源１２は、所定の波長の光（単色光）を出射する。光源１２として、レーザやＳＬＤなどを利用してもよい。また光源１２は、出射する光の波長を変更することが可能な構成をなしていてもよい。

第１の偏光変調器２０は、光源１２から出射された光を任意の偏光に変調する。第１の偏光変調器２０は、第１の液晶素子２２への印加電圧を制御し、第１の液晶素子２２の複屈折位相差δ_１を変化させる第１の電圧制御部２３と、第２の液晶素子２４への印加電圧を制御し、第２の液晶素子２４の複屈折位相差δ_２を変化させる第２の電圧制御部２５とを含む。また第１の偏光変調器２０は、第１及び第２の液晶素子２２、２４の温度を一定に制御する温度制御部（温度センサ、ペルチェ素子等）を含むようにしてもよい。このようにすると、環境温度の変化によって同じ印加電圧に対する第１及び第２の液晶素子２２、２４の複屈折位相差に誤差（変動）が生じることを防止することができる。

第１の偏光子２１は、光源１２からの光を直線偏光とする入射側の偏光子である。すなわち第１の偏光子２１はその透過軸の方向（主軸方位）に偏光面を有する直線偏光を透過させる。第１の偏光子２１は、その主軸方位が０°となるように設置されている。

第１の液晶素子２２は、その主軸方位が４５°となるように設置され、第２の液晶素子２４は、その主軸方位０°となるように設置されている。主軸方位がそれぞれ４５°、０°である第１及び第２の液晶素子２２、２４の複屈折位相差δ_１、δ_２を位相変調することにより、第１の偏光子２１を透過した直線偏光を、任意の直線偏光または楕円偏光または円偏光に変えることができる。

第２の偏光変調器４０は、試料３０を透過した光を偏光変調する。第２の偏光変調器４０は、第３の液晶素子４２への印加電圧を制御し、第３の液晶素子４２の複屈折位相差δ_３を変化させる第３の電圧制御部４３と、第４の液晶素子４４への印加電圧を制御し、第４の液晶素子４４の複屈折位相差δ_４を変化させる第４の電圧制御部４５とを含む。また第２の偏光変調器４０は、第３及び第４の液晶素子４２、４４の温度を一定に制御する温度制御部を含むようにしてもよい。

第３の液晶素子４２は、その主軸方位が０°となるように設置され、第４の液晶素子４４は、その主軸方位が４５°となるように設置されている。

第２の偏光子４６は、第４の液晶素子４４を通過した光を直線偏光とする出射側の偏光子である。第２の偏光子４６は、その主軸方位が０°となるように設置されている。

すなわち第２の偏光変調器４０は、第１の偏光変調器２０と対称に各光学素子を配置した構成（第１の偏光変調器２０を反転させた構成）となっている。

受光部５２は、例えば光電センサ（フォトディテクタ）からなり、第２の偏光子４６からの出射光（測定光）を受光する。そして、光強度情報取得部５０は、測定光の光強度を電圧に変換して光強度情報として出力する。

なお第１及び第２の偏光変調器２０、４０を構成する各液晶素子は、ネマチック液晶により構成してもよいし、コレステリック液晶や強誘電性液晶により構成してもよい。

また光学系１０は、図１に示すように、試料３０を透過した光が第３の液晶素子４２（第２の偏光変調器４０）に入射するように構成されていてもよいし、試料３０を反射した光が第３の液晶素子４２（第２の偏光変調器４０）に入射するように構成されていてもよい。

１−２ 光強度情報取得部５０
光強度情報取得部５０は、測定光の光強度を取得する。すなわち、光強度情報取得部５０は、光学系１０に含まれる光学素子（第１の偏光子２１、第１、第２の液晶素子２２、２４、第３、第４の液晶素子４２、４４、検光子４６）及び、試料１００によって変調された光（測定光）の光強度情報を取得する。すなわち、光強度情報取得部５０は、受光部５２で受光された光（測定光）の光強度情報を取得する。なお、受光部５２は、光強度情報取得部５０の一部を構成していてもよい。

１−３．制御装置６０
制御装置６０は、演算処置部７０、制御信号生成部８０、記憶部９０とを含む。

演算処理部７０は、光強度情報取得部５０で取得された光強度情報に基づいて試料３０のミュラー行列の要素を算出する演算処理を行う。すなわち演算処理部７０は、測定光の光強度をフーリエ解析し、当該フーリエ係数に基づき前記測定対象のミュラー行列の要素を算出する。

制御信号生成部８０は、制御信号を生成して、第１の電圧制御部２３（第１の液晶素子２２の液晶ドライバ）、第２の電圧制御部２５（第２の液晶素子２４の液晶ドライバ）、第３の電圧制御部４３（第３の液晶素子４２の液晶ドライバ）、及び第４の電圧制御部４５（第４の液晶素子４４の液晶ドライバ）を制御し、第１、第２、第３及び第４の液晶素子２２、２４、４２、４４の複屈折位相差δ_１、δ_２、δ_３、δ_４を変化させる。また制御信号生成部８０は、第１及び第２の偏光変調器２０、４０に含まれる温度制御部の動作を制御するようにしてもよい。

記憶部９０は、種々のデータを一時記憶する機能を有し、例えば光強度情報取得部５０から出力された光強度情報を、第１、第２、第３及び第４の液晶素子２２、２４、４２、４４の複屈折位相差δ_１、δ_２、δ_３、δ_４と対応付けて記憶する。

２．測定対象のミュラー行列計測原理
次に、本実施形態の光学特性計測装置が採用する、測定対象のミュラー行列計測原理を説明する。

第１の偏光子２１に入射する単色光のストークスパラメータ（入射偏光状態）をＳ_ｉｎとし、第２の偏光子４６から出射する光（測定光）のストークスパラメータ（出射偏光状態）をＳ_ｏｕｔとすると、Ｓ_ｏｕｔは、各光学素子のミュラー行列により、

となる。

なお、Ｉ_０は第１の偏光子２１に入射する単色光の光強度である。またＰは、第１の偏光子２１のミュラー行列である。またＲ_１、Ｒ_２、Ｒ_３及びＲ_４は、それぞれ第１、第２、第３及び第４の液晶素子２２、２４、４２、４４のミュラー行列である。またδ_１、δ_２、δ_３及びδ_４は、それぞれ第１、第２、第３及び第４の液晶素子２２、２４、４２、４４の複屈折位相差である。またＭは、試料３０のミュラー行列であり、ｍ_００〜ｍ_３３は、ミュラー行列Ｍの各要素である。またＡは、第２の偏光子４６のミュラー行列である。

ここで、受光部５２が受光する光の光強度をＩ（δ）とすると、Ｉ（δ）は、第２の偏光子４６から出射する光のストークスパラメータのＳ_０ｏｕｔに等しいから、式（１）より、

となる。

本実施形態では、第１、第２、第３及び第４の液晶素子２２、２４、４２、４４の複屈折位相差δ_１、δ_２、δ_３、δ_４を変調させながら第２の偏光子４６から出射する光の光強度を測定し、以下のように試料３０のミュラー行列Ｍの各要素を算出する。

すなわち、第１及び第２の液晶素子２２、２４の複屈折位相差δ_１、δ_２を、δ_１＝δ_２＝δとし、第３及び第４の液晶素子４２、４４の複屈折位相差δ_３、δ_４を、δ_３＝δ_４＝５δとして、δを０°から３６０°まで変調させる。このとき受光部５２が検出する光の光強度Ｉ（δ）は、式（２）より、

となり、フーリエ級数により表すことができる。ここでａ_０、ａ_ｎ、ｂ_ｎは、それぞれフーリエ級数における係数（フーリエ係数）である。係数ａ_０、ａ_ｎは、試料３０のミュラー行列の各要素ｍ_ｉｊを用いて、

と表され、係数ｂ_ｎは、試料３０のミュラー行列の各要素ｍ_ｉｊを用いて、

と表される。

式（４）〜式（２８）の連立方程式の解から、試料３０のミュラー行列の各要素ｍ_ｉｊは、

となる。

すなわち受光部５２が受光した光強度Ｉ（δ）を離散フーリエ変換して、フーリエ係数ａ_０、ａ_ｎ、ｂ_ｎを求めることにより、試料３０のミュラー行列の各要素ｍ_ｉｊを算出することができる。

このように本実施形態によれば、機械駆動やキャリブレーションサンプルの計測を必要とせずに、測定対象のミュラー行列を計測することができる。

３．計測装置の校正方法
次に、本実施形態の光学特性計測装置の校正方法について説明する。

３−１．第１の偏光変調器の校正
ミュラー行列計測の誤差原因として、第１及び第２の偏光変調器２０、４０を構成する各液晶素子の主軸方位の設置誤差ε_nと各液晶素子の複屈折位相差の変調誤差Δ_nがある。

ここで、第１の偏光変調器２０の出射光の偏光状態を、図２に示す出射光のポアンカレ球を用いて説明する。図２では、出射光のストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３の各２値について平面座標系をそれぞれ示している。液晶素子２２と第２の液晶素子２４の主軸方位の設置誤差ε_１、ε_２がε_１≠０、ε_２≠０である場合に、第１、第２の液晶素子２２、２４の複屈折位相差δ_１、δ_２をδ_１＝δ_２の関係でそれぞれ０°から３６０°まで変調させると、出射光の偏光状態は、図２に示すポアンカレ球上の軌跡Ｂとなる。

この軌跡Ｂは、主軸方位の設置誤差ε_１、ε_２がε_１＝ε_２＝０である場合の軌跡Ｃ（ミュラー行列の計測に必要な変調域）と異なり、ミュラー行列計測の誤差原因となる。なお、主軸方位の設置誤差ε_１、ε_２がε_１＜ε_２の条件を満たす場合には、図２に示すポアンカレ球上の領域Ａの偏光状態を作り出すことができない。しかし軌跡Ｃは領域Ａと重ならないため、液晶素子２２と第２の液晶素子２４の複屈折位相差δ_１、δ_２を微小に制御しながら出射光の偏光状態（ストークスパラメータ）を計測し、軌跡Ｂを軌跡Ｃに近づける校正を行うことができる。

図３（Ａ）は、第１の偏光変調器２０の校正について説明するための図である。

図３（Ａ）に示すように、光源１００から出射された所定波長の光を、第１の偏光変調器２０内の第１の偏光子２１に入射させ、第1の液晶素子２２を介して第２の液晶素子２４から出射される光のストークスパラメータＳ_ｏｕｔをストークスポラリメータ１１０（偏光計）を用いて計測する。

ストークスポラリメータ１１０は、１／４波長板１１２、偏光子１１４（検光子）、検出部１１６を含む。第１の偏光変調器２０からの出射光は、１／４波長板１１２に入射され、１／４波長板１１２を透過した光は偏光子１１４を介して検出部１１６に入射される。検出部１１６は、偏光子１１４から出射された光の光強度を検出する。

ここで、１／４波長板１１２と偏光子１１４は、それぞれ回転可能に構成されている。そして、１／４波長板１１２の主軸方位θ_１と、偏光子１１４の主軸方位θ_２を、θ_１：θ_２＝１：３の関係で回転させたときに検出部１１６が検出する光強度をフーリエ解析することで、第１の偏光変調器２０からの出射光のストークスパラメータＳ_ｏｕｔを計測することができる。

本実施形態では、第１の液晶素子２２と第２の液晶素子２４のそれぞれに印加する電圧値Ｖ_１、Ｖ_２を個別に変化させて複屈折位相差δ_１、δ_２を個別に制御しながら、出射光のストークスパラメータＳ_ｏｕｔの計測を繰り返し、図４（Ａ）に示すような、各電圧値Ｖ_１、Ｖ_２に対応するストークスパラメータＳ_ｏｕｔの値を格納する計測データを作成する。図４（Ａ）に示す例では、各電圧値Ｖ_１、Ｖ_２をそれぞれ０．０Ｖから１０．０Ｖまで０．２Ｖ刻みで変化させて計測している。そして、作成した計測データに基づいて、出射光の偏光状態の軌跡が図２に示す軌跡Ｃ（ミュラー行列の計測に必要な変調域）となるような電圧値Ｖ_１、Ｖ_２の複数の組み合わせを求める。

この手法によれば、図１における計測時で発生する第１及び第２の液晶素子２２、２４の主軸方位の設置誤差ε_１、ε_２と、複屈折位相差の変調誤差Δ_１、Δ_２とを補正して、第１の偏光変調器２０を正しく校正することができる。

３−２．第２の偏光変調器の校正
図３（Ｂ）は、第２の偏光変調器４０の校正について説明するための図である。

図３（Ｂ）に示す第２の偏光変調器４０は、図１に示す計測装置１における第２の偏光変調器４０と対称に各光学素子を配置した構成（図１に示す第２の偏光変調器４０を反転させた構成）となっている。すなわち、光源１００から出射された所定波長の光を、第２の偏光変調器４０内の第２の偏光子４６に入射させ、第４の液晶素子４４を介して第３の液晶素子４２から出射される光のストークスパラメータＳ_ｏｕｔをストークスポラリメータ１１０を用いて計測する。

本実施形態では、第１の偏光変調器２０の校正と同様の手法により、第３の液晶素子４２と第４の液晶素子４４のそれぞれに印加する電圧値Ｖ_３、Ｖ_４を個別に変化させて複屈折位相差δ_３、δ_４を個別に制御しながら、出射光のストークスパラメータＳ_ｏｕｔの計測を繰り返し、図４（Ｂ）に示すような、各電圧値Ｖ_３、Ｖ_４に対応するストークスパラメータＳ_ｏｕｔの値を格納する計測データを作成する。そして、作成した計測データに基づいて、出射光の偏光状態の軌跡が図２に示す軌跡Ｃとなるような電圧値Ｖ_３、Ｖ_４の複数の組み合わせを求める。

この手法では、図１における計測時で発生する第３及び第４の液晶素子４２、４４の複屈折位相差の変調誤差Δ_３、Δ_４を補正する校正を行うことはできるものの、図１における計測時で発生する主軸方位の設置誤差ε_３、ε_４を補正する校正を行うことはできない。なぜなら、図１に示す計測装置１においては、図３（Ｂ）に示す第２の偏光変調器４０を反転させて設置するため、図３（Ｂ）で主軸方位の設置誤差を補正したとしても、反転した際に、第２の偏光子４６の主軸方位と反転軸との間の角度により第３及び第４の液晶素子４２、４４の主軸方位の設置誤差ε_３、ε_４が更に生じてしまうからである。すなわち、第３及び第４の液晶素子４２、４４を１つの液晶素子として取り扱うと、生じる主軸方位の誤差ε_３＝ε_４＝εは、水平軸と第２の偏光子４６の透過軸方位との角度差及び設置時の機械的誤差となり、第３及び第４の液晶素子４２、４４及び第２の偏光子４６を１つの偏光変調器として取り扱うと、生じる主軸方位の誤差ε_３＝ε_４＝εは、設置時の機械的誤差となる。

そこで本実施形態では、計測装置１に第２の偏光変調器４０を設置した状態で、第３及び第４の液晶素子４２、４４の主軸方位の設置誤差ε_３、ε_４を算出し、算出した設置誤差ε_３、ε_４に基づいて、再度第２の偏光変調器４０の校正を行う。

３−３．主軸方位の設置誤差に基づく第２の偏光変調器の校正
上述したミュラー行列計測手法により、図５に示すように、計測装置１において試料３０（測定対象）を設置しない状態でミュラー行列Ｍの各要素ｍ_ｉｊを算出する。なお、ここでは図３によるストークスポラリメータを用いて校正された第１及び第２の偏光変調器２０、４０を用いる。また、主軸方位の設置誤差を考慮しない各光学素子のミュラー行列Ｐ、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３、Ｒ_４、Ａを用いて算出する。試料３０を設置しない状態で本計測装置により算出したミュラー行列Ｍは、理論的には単位行列となるはずであるが、実際には第３及び第４の液晶素子４２、４４の主軸方位の設置誤差ε_３、ε_４により誤差を含んだ値となる。

試料３０を設置しない状態での第２の偏光子４６から出射する光（測定光）の光強度をフーリエ級数で表した場合の係数と、第３及び第４の液晶素子４２、４４の主軸方位の設置誤差ε_３、ε_４との関係式を、主軸方位の設置誤差ε_３、ε_４を含んで算出された第３及び第４の液晶素子４２、４４のミュラー行列に基づき求める。以下、詳細に説明する。

第３及び第４の液晶素子４２、４４の主軸方位の設置誤差ε_３、ε_４を考慮した第３及び第４の液晶素子４２、４４のミュラー行列をＲ_{３（０＋ε３）}、Ｒ_{４（４５＋ε４）}とすると、試料３０を設置しない状態での測定光のストークスパラメータＳ_ｏｕｔは、

となる。ここでは、試料３０のミュラー行列Ｍを単位行列としている。また、式（４５）においては、ｃｏｓε_３、ｃｏｓε_４をそれぞれ１としてＲ_{３（０＋ε３）}、Ｒ_{４（４５＋ε４）}を求めている。ここで、第１及び第２の液晶素子２２、２４の複屈折位相差δ_１、δ_２を、δ_１＝δ_２＝δとし、第３及び第４の液晶素子４２、４４の複屈折位相差δ_３、δ_４を、δ_３＝δ_４＝５δとして、δを０°から３６０°まで変調させたときの光強度Ｉ（δ）は、式（４５）より、

となり、フーリエ級数により表すことができる。そして当該フーリエ級数における係数（フーリエ係数）を求める。例えば、係数ａ_３、ａ_５は、第３及び第４の液晶素子４２、４４の主軸方位の設置誤差ε_３、ε_４を用いて、

と表される。ここで、式（４７）は、係数ａ_３と設置誤差ε_３との関係式であり、式（４８）は、係数ａ_５と設置誤差ε_３、ε_４との関係式である。

次に、フーリエ係数と設置誤差ε_３、ε_４との関係式と、フーリエ係数と試料３０のミュラー行列の要素ｍ_ｉｊとの関係式に基づき、設置誤差ε_３、ε_４と試料３０のミュラー行列の要素ｍ_ｉｊとの関係式を求める。ここで、要素ｍ_ｉｊは、ミュラー行列Ｍの要素ｍ_００で規格化する。

ミュラー行列Ｍの要素ｍ_００は、式（４５）より、

であるから、例えばｍ_１２／ｍ_００は、式（３５）、式（４７）及び式（４９）より、

と表され、ｍ_１０／ｍ_００は、式（３３）、式（４７）、式（４８）及び式（４９）より、

と表される。そして、設置誤差ε_３、ε_４は、それぞれ式（５０）、式（５１）より、

となる。ここで、式（５２）は、設置誤差ε_３と試料３０のミュラー行列の要素ｍ_００、ｍ_１２との関係式であり、式（５３）は、設置誤差ε_４と試料３０のミュラー行列の要素ｍ_００、ｍ_１０との関係式である。すなわち、試料３０を設置しない状態で算出したミュラー行列Ｍの要素ｍ_００、ｍ_１０、ｍ_１２（誤差を含んだ値）と、式（５２）、式（５３）とに基づき、第３及び第４の液晶素子４２、４４の主軸方位の設置誤差ε_３、ε_４を算出することができる。

次に、算出した第３及び第４の液晶素子４２、４４の主軸方位の設置誤差ε_３、ε_４に基づいて、再度第２の偏光変調器４０の校正を行う。すなわち、まず図２に示すポアンカレ球上の軌跡Ｃ（ミュラー行列の計測に必要な変調域）を、算出した設置誤差ε_３、ε_４を考慮してずらした軌跡Ｄを求める。例えば、軌跡Ｃを関数ｆ（ε_３，ε_４）だけずらした軌跡Ｄを求めるようにしてもよい。次に、既に作成した図４（Ｂ）に示す測定データを参照して、図３（Ｂ）に示す第２の偏光変調器４０の出射光の偏光状態の軌跡が軌跡Ｄとなるような電圧値Ｖ_３、Ｖ_４の複数の組み合わせを求める。

この手法によれば、第２の偏光変調器４０を計測装置１に設置した状態における、第３及び第４の液晶素子４２、４４の主軸方位の設置誤差ε_３、ε_４を補正することができる。

このように本実施形態によれば、第１及び第２の液晶素子２２、２４の主軸方位の設置誤差ε_１、ε_２及び複屈折位相差の変調誤差Δ_１、Δ_２、並びに第３及び第４の液晶素子４２、４４の主軸方位の設置誤差ε_３、ε_４及び複屈折位相差の変調誤差Δ_３、Δ_４とを補正して、計測装置を正確に校正することができ、測定対象のミュラー行列を高精度に計測することが可能な計測装置を提供することができる。

４．計測結果
以下、本実施形態の計測装置の計測結果を示す。

ここで、式（５４）、式（５５）は、試料を設置しない状態で計測したミュラー行列Ｍの計測値である。また、式（５４）は計測装置を校正せずに計測した計測値であり、式（５５）は、計測装置を本実施形態の手法により校正した後に計測した計測値である。式（５５）から、校正後の測定値は理論値である単位行列と概ね等しいことがわかる。従って本実施形態の手法により、測定装置を正確に校正できることが分かる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

本実施形態の計測装置のブロック図。 偏光変調器の出射光の偏光状態について説明するための図。 偏光変調器の校正について説明するための図。 計測データの一例。 偏光変調器の校正について説明するための図。

符号の説明

１ 計測装置、１０ 光学系、１２ 光源、２０ 第１の偏光変調器、２１ 第１の偏光子、２２ 第１の液晶素子、２３ 第１の電圧制御部、２４ 第２の液晶素子、２５ 第２の電圧制御部、３０ 試料（測定対象）、４０ 第２の偏光変調器、４２ 第３の液晶素子、４３ 第３の電圧制御部、４４ 第４の液晶素子、４５ 第４の電圧制御部、４６ 第２の偏光子、５０ 光強度情報取得部、５２ 受光部、６０ 制御装置、７０ 演算処理部、８０ 制御信号生成部、９０ 記憶部、１１０ ストークスポラリメータ

Claims (6)

1. 測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置であって、
   所定の波長の光を出射する光源と、
   第１及び第２の偏光変調器と、
   前記第１及び第２の偏光変調器と前記測定対象で前記光を変調させることによって得られる測定光を受光する受光部と、を含む光学系と、
   前記測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
   前記測定光の光強度をフーリエ解析し、当該フーリエ係数に基づき前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理部とを含み、
   前記第１の偏光変調器は、第１の偏光子、第１及び第２の液晶素子を含み、
   前記第２の偏光変調器は、第２の偏光子、第３及び第４の液晶素子を含み、
   前記光源から出射された光を、前記第１の偏光子、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第３の液晶素子、前記第４の液晶素子及び前記第２の偏光子を介して前記受光部に入射させるように構成された光学特性計測装置。
2. 測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置であって、
   光学系に含まれる第１及び第２の偏光変調器及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
   前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理部とを含み、
   前記第１の偏光変調器は、第１の偏光子、第１及び第２の液晶素子を含み、
   前記第２の偏光変調器は、第２の偏光子、第３及び第４の液晶素子を含み、
   前記測定光は、光源から出射された所定の波長の光を、前記第１の偏光子、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第３の液晶素子、前記第４の液晶素子及び前記第２の偏光子を介して受光部に入射させることで得られる光であり、
   前記演算処理部では、
   前記測定光の光強度をフーリエ解析し、当該フーリエ係数に基づき前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う
   ことを特徴とする光学特性計測装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記第１及び第２の偏光子の主軸方位と、前記第２及び第３の液晶素子の主軸方位とがそれぞれ０°であり、前記第１及び第４の液晶素子の主軸方位がそれぞれ４５°である光学特性計測装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記演算処理部が、
   前記第１及び第２の液晶素子の複屈折位相差δ_１、δ_２をδ、前記第３及び第４の液晶素子の複屈折位相差δ_３、δ_４を５δとして位相変調したときの前記測定光の光強度をフーリエ解析し、当該フーリエ係数に基づき前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う光学特性計測装置。
5. 測定対象の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、
   光学系に含まれる第１及び第２の偏光変調器及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得手順と、
   前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理手順とを含み、
   前記第１の偏光変調器は、第１の偏光子、第１及び第２の液晶素子を含み、
   前記第２の偏光変調器は、第２の偏光子、第３及び第４の液晶素子を含み、
   前記測定光は、光源から出射された所定の波長の光を、前記第１の偏光子、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第３の液晶素子、前記第４の液晶素子及び前記第２の偏光子を介して受光部に入射させることで得られる光であり、
   前記演算処理手順では、
   前記測定光の光強度をフーリエ解析し、当該フーリエ係数に基づき前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う
   ことを特徴とする光学特性計測方法。
6. 所定の波長の光を出射する光源と、第１及び第２の偏光変調器と、前記第１及び第２の偏光変調器と前記測定対象で前記光を変調させることによって得られる測定光を受光する受光部と、を含む光学系と、
   前記測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
   前記測定光の光強度をフーリエ解析し、当該フーリエ係数に基づき前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理部とを含み、
   前記第１の偏光変調器は、第１の偏光子、第１及び第２の液晶素子を含み、
   前記第２の偏光変調器は、第２の偏光子、第３及び第４の液晶素子を含み、
   前記光源から出射された光を、前記第１の偏光子、前記第１の液晶素子及び前記第２の液晶素子を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第３の液晶素子、前記第４の液晶素子及び前記第２の偏光子を介して前記受光部に入射させるように構成された光学特性計測装置の校正方法であって、
   所定の波長の光を前記第１の偏光変調器に入射させ、前記第１の偏光変調器からの出射光のストークスパラメータをストークスポラリメータを用いて算出し、算出したストークスパラメータに基づき前記第１の偏光変調器の校正を行う手順と、
   所定の波長の光を前記第２の偏光変調器に入射させ、前記第２の偏光変調器からの出射光のストークスパラメータをストークスポラリメータを用いて算出し、算出したストークスパラメータに基づき前記第２の偏光変調器の校正を行う手順と、
   校正された前記第１及び第２の偏光変調器を含む前記計測装置において、前記測定対象を設置しない状態で光学特性を表す行列の行列要素を算出する手順と、
   前記測定対象を設置しない状態での前記測定光の光強度をフーリエ解析した際の当該フーリエ係数と前記第３及び第４の液晶素子の主軸方位の設置誤差との関係式を、主軸方位の設置誤差を考慮した前記第３及び第４の液晶素子のミュラー行列に基づき算出する手順と、
   前記フーリエ係数と前記設置誤差との関係式と、前記測定対象を設置した状態での測定光の光強度をフーリエ解析した際の当該フーリエ係数と前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素との関係式とに基づき、前記設置誤差と前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素との関係式を求める手順と、
   前記設置誤差と前記測定対象の光学特性を表す行列の行列要素との関係式と、算出した前記光学特性を表す行列の行列要素とに基づき、前記設置誤差を算出する手順と、
   算出した前記設置誤差と、算出した前記第２の偏光変調器からの出射光のストークスパラメータとに基づき前記第２の偏光変調器の校正を行う手順と
   を含む光学特性計測装置の校正方法。

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