JP2011186328A - 偏光回折格子アレイ、偏光センサー、および偏光解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価で耐久性のある偏光子アレイ、偏光センサー、およびそれを用いた偏光解析装置を提供する。
【解決手段】偏光回折格子アレイは、常光屈折率がｎoであり異常光屈折率がｎeである複屈折を有する光学媒質１２と、屈折率がｎoあるいはｎeである等方性媒質１３とが周期的に交互に配列され、常光偏光及び異常光偏光のいずれか一方のみを回折させる複数の偏光回折格子１１を備える。複数の偏光回折格子１１は、複屈折を有する光学媒質と等方性媒質とが交互に配列された方向が少なくとも２種類以上存在するように同一面内に配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、偏光回折格子アレイ、偏光センサー、及び偏光解析装置に関する。

光学部品の複屈折特性や、食品の糖度測定や、光通信で用いられるシングルモードファイバーの入力光の偏光状態の調査など、様々な分野で偏光解析装置が利用されている。

近年、偏光解析装置の簡便化、簡素化、高速測定化を目的として、異なる透過軸を有した複数の偏光子を有する偏光子アレイを用いた偏光解析装置が提案されている。

特許文献１では、多層膜スパッタ形成法によるフォトニック結晶を用いた偏光子アレイ、ならびにそれを用いた偏光解析装置が開示されている。

特許文献２では、ワイヤーグリッドを用いた偏光子アレイ、ならびそれを用いた偏光検出素子が開示されている。

特許文献３では、二色性色素及び側鎖に配向性基を有する高分子を用いた偏光子アレイが開示されている。

国際公開第２００４／００８１９６号パンフレット 特開２００９−１６８７９５号公報 特開２００９−１９３０１４号公報

しかしながら、特許文献１で開示された偏光子アレイは、その作製に電子ビームリソグラフィーを用いた基板を用いており、さらにスパッタ成膜とスパッタエッチングとを組み合わせたプロセスを用いているため、生産性が悪い。

特許文献２で開示された偏光子アレイは、利用する光の波長よりも短い周期で金属の細線を高アスペクト比で作製する必要がある。可視光で利用できる偏光子アレイを作製するためにはサブミクロン周期で金属の細線を作製する必要があり、生産性が悪い。

特許文献３で開示された偏光子アレイは、高分子を用いていること、及び電子ビームリソグラフィーを用いていないことから特許文献１で開示された偏光子アレイや特許文献２で開示された偏光子アレイより安価に作製することが可能であるが、二色性色素を利用しているため耐久性や耐環境性に難がある。また、高分子を配向させるためにワイヤーグリッド偏光子を用いた偏光紫外光を露光して配向層を作製する方法が開示されているが、露光に用いられる遠紫外光用のワイヤーグリッド偏光子は高価であり、低コスト化には限界がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、より安価で耐久性のある偏光子アレイ、偏光センサー、およびそれを用いた偏光解析装置を提供することを目的とする。

本発明の偏光回折格子アレイは、常光屈折率がｎoであり異常光屈折率がｎeである複屈折を有する光学媒質と、屈折率がｎoあるいはｎeである等方性媒質とが周期的に交互に配列され、常光偏光及び異常光偏光のいずれか一方のみを回折させる複数の偏光回折格子を備える。前記複数の偏光回折格子は、前記複屈折を有する光学媒質と前記等方性媒質とが交互に配列された方向が少なくとも２種類以上存在するように同一面内に配置されていることを特徴とする。

本発明の偏光センサーは、上記の本発明の偏向回折格子アレイと、前記複数の偏光回折格子と一対一に対応し且つ前記複数の偏光回折格子を透過した光をそれぞれ受光する複数の受光素子を有する受光素子アレイとを備えることを特徴とする。

本発明の偏光解析装置は、上記の本発明の偏向センサーを備えることを特徴とする。

本発明によれば、安価で耐久性を有する偏光回折格子アレイ、偏光センサー、及び偏光解析装置を提供することができる。また、本発明の偏光解析装置は、偏光解析を簡便に行うことができるので、装置の簡素化が可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る偏光センサーの概略構成を示した分解斜視図である。 図２は、本発明の偏光回折格子アレイを構成する一実施形態に係る偏光回折格子の概略構成を示した斜視図である。 図３Ａ〜図３Ｃは、図２に示した偏光回折格子の製造方法の一例を工程順に示した断面図であり、図３Ａは、金型の表面に形成された凹凸形状が転写された２Ｐ基板を作成する工程を示した断面図、図３Ｂは、２Ｐ基板の表面に重合性液晶を塗布する工程を示した断面図、図３Ｃは、紫外線を露光して重合性液晶を硬化する工程を示した断面図である。 図４は、図１に示した本発明の一実施形態に係る偏光センサーを構成する一光学系単位の構成を示した断面図である。 図５は、本発明の別の実施形態に係る偏光センサーの概略構成を示した分解斜視図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る偏光解析装置の概略構成を示した図である。 図７は、実施例１に係る偏光解析装置の偏光センサーを構成する一光学系単位の構成を示した断面図である。 図８は、実施例２に係る偏光解析装置の偏光センサーを構成する一光学系単位の構成を示した断面図である。

本発明の偏光回折格子アレイは、常光屈折率がｎoであり異常光屈折率がｎeである複屈折を有する光学媒質と、屈折率がｎoあるいはｎeである等方性媒質とが周期的に交互に配列され、常光偏光及び異常光偏光のいずれか一方のみを回折させる複数の偏光回折格子を備える。従って、この偏向回折格子は、常光偏光と異常光偏光とを分離することができ、偏光子として作用する。本発明は、このような複数の偏光回折格子を、複屈折を有する光学媒質と等方性媒質とが交互に配列された方向が少なくとも２種類以上存在するように同一面内に配置して偏光回折格子アレイを構成する。この偏光回折格子アレイを偏光子アレイとして用いることにより、安価な偏光子アレイを提供することができる。また、偏光回折格子は特定の偏光を吸収して偏光分離を行うものではないので、高分子の反応や熱の発生などが起こりにくく、安定な偏光子アレイを提供することができる。

ここで、前記複屈折を有する光学媒質は液晶性分子であることが好ましい。これにより、より簡便な方法で、より安価に、より安定な偏光回折格子アレイを作製することが可能となる。

本発明の偏光回折格子アレイは、前記偏光回折格子アレイに対して光の出射側に、前記複数の偏光回折格子と一対一に対応した複数のピンホールが同一面内に配置されたピンホールアレイを更に備えることが好ましい。これにより、より高品質に常光偏光と異常光偏光とを分離することが可能になる。

本発明の偏光回折格子アレイは、前記偏光回折格子アレイに対して光の出射側に、前記複数の偏光回折格子と一対一に対応し且つ前記複数の偏光回折格子を透過した光をそれぞれ集光する複数のレンズを有するレンズアレイを更に備えることが好ましい。これにより、より高品質に常光偏光と異常光偏光とを分離することが可能になる。

前記ピンホールアレイと前記レンズアレイとを備える場合、前記ピンホールアレイは前記レンズアレイの焦点面又はその近傍に配置されていることが好ましい。これにより、さらにより高品質に常光偏光と異常光偏光とを分離することが可能になる。

本発明の偏光センサーは、上記の本発明の偏向回折格子アレイと、前記複数の偏光回折格子と一対一に対応し且つ前記複数の偏光回折格子を透過した光をそれぞれ受光する複数の受光素子を有する受光素子アレイとを備える。これにより、安価な偏光センサーを提供することができる。また、偏光子を回転することなく偏光状態を測定することが可能であるので、より簡便で簡易な偏光センサーを提供することができる。

本発明の上記の偏光センサーにおいて、前記複数の偏光回折格子のうちの少なくとも１つに対応する１／４波長板が前記偏光回折格子アレイに対して光の入射側に設けられていることが好ましい。これにより、ストークスパラメーターを取得することが可能になる。

本発明の偏光解析装置は、上記の本発明の偏向センサーを備える。これにより、より簡便で高速測定が可能な偏光測定装置を供することができる。

以下、本発明を好適な実施形態及び実施例を示しながら詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態及び実施例に限定されないことはいうまでもない。以下の説明において参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態又は実施例の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、本発明は以下の各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、以下の各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る偏光センサー１の概略構成を示した分解斜視図である。図１に示すように、この偏光センサー１は、偏光回折格子アレイ１０、レンズアレイ２０、受光素子アレイ４０をこの順に備える。受光素子アレイ４０のレンズアレイ２０側の面にはピンホールアレイ３０が設けられている。図示したように、偏光センサー１に対して光が入射する方向をＺ軸とし、Ｚ軸と直交し且つ互いに垂直な軸をＸ軸及びＹ軸とするＸＹＺ直交座標系を設定する。

偏光回折格子アレイ１０は、ＸＹ面に平行な同一面内に配置された複数の偏光回折格子１１を備える。

図２は偏光回折格子１１の一例の概略構成を示した斜視図である。偏光回折格子１１は、常光屈折率がｎoであり異常光屈折率がｎeである複屈折を有する光学媒質（以下、「複屈折性媒質」という）１２と、屈折率がｎoあるいはｎeである等方性媒質１３とから構成される。ＸＹ面に平行な面内において、ストライプ状の複屈折性媒質１２とストライプ状の等方性媒質１３とが周期的に交互に配列されて回折格子を構成している。

例えば等方性媒質１３の屈折率がｎoである場合を考える。常光偏光の光が偏光回折格子１１を通過する場合、複屈折性媒質１２と等方性媒質１３とで位相差が発生しないから、常光偏光の光は偏光回折格子１１において回折されない。一方、異常光偏光の光が偏光回折格子１１を通過する場合、複屈折性媒質１２と等方性媒質１３とで位相差が発生するため、常光偏光の光は偏光回折格子１１において回折される。よって、常光偏光と異常光偏光との分離が可能になる。

等方性媒質１３の屈折率がｎeである場合は、上記とは逆に、常光偏光の光は偏光回折格子１１において回折され、異常光偏光の光は偏光回折格子１１において回折されない。よって、この場合も常光偏光と異常光偏光との分離が可能になる。

複屈折性媒質１２の材料としては、液晶性分子が最も好適である。等方性媒質１３の材料としては、透明なガラス、プラスチック、または紫外線硬化樹脂、あるいは所定の凹凸形状が転写された表面を備える紫外線硬化樹脂を透明基板上に備えたいわゆる２Ｐ（Photo Polymer）基板などを用いることができる。

図３Ａ〜図３Ｃに偏光回折格子１１の作製法の一例を示す。最初に、例えばフォトリソ、エッチング、電鋳工程を経て、互いに平行な複数の溝からなる凹凸形状を表面に形成した金型６０を準備する。この金型６０の凹凸形状を形成した表面に、図３Ａに示すように、紫外線硬化樹脂６１を塗布し、更に紫外線硬化樹脂６１上にガラス基板６２を積層する。そして、ガラス基板６２を介して紫外線硬化樹脂６１に紫外線６３を露光して、紫外線硬化樹脂６１を硬化させる。次いで、硬化された紫外線硬化樹脂６１及びガラス基板６２を金型６０から剥離して２Ｐ基板６４を得る。紫外線硬化樹脂６１の表面には金型６０の表面の凹凸形状が転写されている。次いで、図３Ｂに示すように、上記２Ｐ基板６４の紫外線硬化樹脂６１上に重合性液晶６５をスピンコートで塗布する。重合性液晶は、紫外線硬化樹脂６１の表面の凹凸形状の溝内に充填される。次いで、図３Ｃに示すように、紫外線６６を露光し、重合性液晶６５を硬化し高分子化する。このようにして、偏光回折格子１１が得られる。

図３Ａ〜図３Ｃの方法では、紫外線硬化樹脂６１の表面の溝内に重合性液晶６５を充填すると（図３Ｂ）、溝の表面と重合性液晶との間の分子相互作用により液晶性分子が自発的に溝の長手方向に沿って整列する。従って、特別な配向処理を施すことなく、液晶を溝の長手方向に沿って配向させることができる。この状態で重合性液晶６５を硬化させると（図３Ｃ）、光学異方性を有する複屈折性媒質１２が得られる。この場合、複屈折性媒質１２を構成する液晶性分子の光学軸は溝の長手方向に平行になるため、屈折率が異常光屈折率ｎeとなる直線偏光（異常光偏光）の方向は溝の長手方向に平行となり、屈折率が常光屈折率ｎoとなる直線偏光（常光偏光）の方向は溝の長手方向に垂直となる。つまり、常光偏光方向と異常光偏光方向とは、２Ｐ基板６４の凹凸形状を構成する溝の方向で規定される。従って、このようにして得られた偏光回折格子１１は、溝の長手方向を振動方向とする偏光と、溝の長手方向に垂直な方向を振動方向とする偏光とを分離することができる。図３Ａ〜図３Ｃの方法によれば、金型６０を作製した後はフォトリソ工程や成膜工程を用いず、レプリカ工程及び２Ｐ工程のみで偏光回折格子１１を作製可能であるので、安価に偏光回折格子１１を作製することが可能になる。

図１において、各偏光回折格子１１に施したストライプの方向は、ストライプ状の複屈折性媒質１２のストライプ方向（図２参照）を示している。図示されているように、複数の偏光回折格子１１を、複屈折性媒質１２と等方性媒質１３とが交互に配列された方向（以下、「媒質１２，１３の交互配列方向」という）が少なくとも２種類以上存在するように配置することにより、偏光回折格子アレイ１０を作製することができる。このような偏光回折格子アレイ１０は、図３Ａ〜図３Ｃの方法では、金型６０を形成するためのフォトリソ工程において使用するフォトマスクに、光が通過するスリットの長手方向が異なる複数種類の回折格子パターンを配置しておくだけで容易に作製することができる。このようなフォトマスクを用いてフォトリソを行えば、溝方向が異なる複数種類の凹凸形状が形成された金型６０を作製できる。この複数種類の凹凸形状は２Ｐ基板６４の表面に転写される。従って、媒質１２，１３の交互配列方向が複数種類存在するように複数の偏光回折格子１１が配置された偏光回折格子アレイ１０を一体的に作製できる。

このような偏光回折格子アレイ１０の作製方法では、２Ｐ基板６４を構成する紫外線硬化樹脂６１の凹凸形状の溝の表面と重合性液晶との間の分子相互作用により液晶性分子が溝の長手方向に沿って配向されるため、複屈折性媒質１２の常光偏光方向と異常光偏光方向は、溝の長手方向で規定される。従って、溝の長手方向を振動方向とする偏光と、溝の長手方向に垂直な方向を振動方向とする偏光とを分離することが可能な偏光回折格子１１が得られる。このような偏光回折格子１１を、媒質１２，１３の交互配列方向が少なくとも２種類以上存在するように同一平面内に配置すれば、分離される常光偏光及び異常光偏光の偏光方向の種類が、媒質１２，１３の交互配列方向の種類数だけ存在する偏光回折格子アレイ１０が得られる。従って、本発明の偏光回折格子アレイ１０は、異なる透過軸を有する複数の偏光子を有する偏光子アレイとなる。

図３Ａ〜図３Ｃの方法では、重合性液晶６５を塗布する基板として２Ｐ基板６４を使用したが、本発明はこれに限定されない。基板が、表面に凹凸形状を有していれば、重合性液晶６５を塗布し凹凸形状の溝内に充填したときに、溝の表面と重合性液晶との間の分子相互作用により液晶性分子を配向させることができる。基板は、利用する光の波長に対して透明であり、その屈折率が、複屈折性媒質１２の常光屈折率ｎoあるいは異常光屈折率ｎeであればよい。例えばガラスインプリント法や射出成形法などの公知の方法で表面に凹凸形状が形成されたガラス基板やプラスチック基板を２Ｐ基板６４の代わりに用いることができる。

図１では、媒質１２，１３の交互配列方向の種類数（即ち、分離される常光偏光及び異常光偏光の偏光方向の種類数）は４であるが、本発明はこれに限定されず、２種類以上であればよく、図１より多くても少なくてもよい。媒質１２，１３の交互配列方向が同じである偏光回折格子１１が２以上存在してもよいし、複数の偏光回折格子１１の全ての媒質１２，１３の交互配列方向が互いに異なっていてもよい。複数の偏光回折格子１１は、媒質１２，１３の交互配列方向を除いて、ストライプ状の複屈折性媒質１２の配置ピッチや寸法等の仕様は同一であることが好ましい。

レンズアレイ２０は、偏光回折格子アレイ１０を構成する複数の偏光回折格子１１と一対一に対応する複数のレンズ２１を備える。複数のレンズ２１のある方向の配置ピッチは、複数の偏光回折格子１１の同方向の配置ピッチと略同一である。複数のレンズ２１は、好ましくは同一形状であり、好ましくはＸＹ面と平行な同一平面上に配置される。各レンズ２１は、対応する偏光回折格子１１を透過した光を集光する。レンズ２１は、屈折レンズ又は回折レンズのいずれであってもよく、更にはこれらの複合レンズであってもよい。

偏光回折格子アレイ１０及び／又は受光素子アレイ４０との位置合わせを容易に行うためのアライメントマークが、レンズアレイ２０の任意の位置に設けられていてもよい。図１では偏光回折格子アレイ１０とレンズアレイ２０とは分離しているが、偏光回折格子アレイ１０の片面にレンズアレイ２０を一体に形成しても良い。偏光回折格子１１を透過した光が、これに対応しない受光素子（後述する図４の受光素子４１を参照）に入射することにより発生するクロストークノイズを防止するために、隣り合うレンズ２１間の境界又はその近傍に、金属膜や感光性樹脂などによるブラックマトリクス等の遮光層（後述する図８のブラックマトリクス２１３を参照）が設けられていてもよい。

レンズアレイ２０の作製方法は特に限定はないが、例えば、透明樹脂又は透明ガラスを金型等で一体に成型する方法、表面に所定のレンズ形状を形成した金型上に紫外線硬化樹脂を塗布し更に透明基板を積層し、紫外線硬化樹脂を硬化させた後、紫外線硬化樹脂及び透明基板を金型から剥離する２Ｐ法などを用いることができる。

受光素子アレイ４０は、偏光回折格子アレイ１０を構成する複数の偏光回折格子１１と一対一に対応する複数の受光素子（後述する図４の受光素子４１を参照）を備える。複数の受光素子は、好ましくはＸＹ面と平行な同一平面上に配置される。各受光素子は、対応する偏光回折格子１１及びレンズ２１を順に透過した光を受光する。

受光素子としては、特に制限はなく、偏光状態を測定する光の波長に感度を有していればよく、例えば薄膜トランジスター（ＴＦＴ）、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等を用いて構成してもよい。

ピンホールアレイ３０は、偏光回折格子アレイ１０を構成する複数の偏光回折格子１１と一対一に対応する複数のピンホール３１を備え、好ましくはレンズアレイ２０の焦点面又はその近傍に配置されている。複数のピンホール３１は、好ましくはＸＹ面と平行な同一平面上に配置される。ピンホール３１は、受光素子の受光部（後述する図４の受光部４２を参照）の位置に対応して形成された開口であり、対応する偏光回折格子１１及びレンズ２１を順に透過した光を通過させる。

ピンホールアレイ３０は、受光素子が感度を有する波長の光を遮る材料からなる。その形成方法は、特に限定されないが、例えば、通常の半導体プロセス技術（スパッタ、蒸着等）を利用して金属材料を積層する方法、ブラックレジストを用いてフォトリソ工程によって作製する方法などを用いることができる。図１ではピンホールアレイ３０は受光素子アレイ４０のレンズアレイ２０側の面に形成されているが、これに限定されない。例えば、ピンホールアレイ３０を、レンズアレイ２０の受光素子アレイ４０側の面に形成してもよいし（後述する図７、図８を参照）、レンズアレイ２０及び受光素子アレイ４０とは別個の部材であるガラス等の透明基板上に形成してもよい。

本実施形態の偏光センサー１では、偏光回折格子アレイ１０の複数の偏光回折格子１１、レンズアレイ２０の複数のレンズ２１、ピンホールアレイ３０の複数のピンホール３１、受光素子アレイ４０の複数の受光素子が、それぞれ一対一に対応している。即ち、１つの偏光回折格子１１と１つのレンズ２１と１つのピンホール３１と１つの受光素子とが、偏光センサー１の１つの光学系単位を構成する。

図４に、偏光センサー１の一光学系単位の断面図を示す。この光学系単位では、偏光回折格子１１を構成する媒質１２，１３の交互配列方向はＹ軸に平行であるが、媒質１２，１３の交互配列方向は光学系単位ごとに適宜任意に設定することができる。ピンホール３１は、受光素子４１の受光部４２上に形成されている。「ｆ」はレンズ２１の焦点距離を示す。

光は、図４の左側から、偏光回折格子１１に垂直に、すなわちＺ軸に平行に入射する。複屈折性媒質１２と等方性媒質１３の各屈折率は、偏光方向が媒質１２，１３の交互配列方向に垂直である偏光光（異常光偏光）７１を回折し、媒質１２，１３の交互配列方向に平行である偏光光（常光偏光）７２を回折させないように設定されている。従って、偏光光７１は、偏光回折格子１１によって回折され偏向されるので、レンズ２１によってピンホールアレイ３０上のピンホール３１以外の位置に集光される。一方、偏光光７２は、偏光回折格子１１によって回折されないので、レンズ２１によってピンホール３１内に露出した受光部４２上に集光される。このように、入射する光は、その偏光方向に応じて偏光分離され、受光素子からは入射した光に応じた信号が出力される。このような動作が、偏光センサー１を構成する各光学系単位において互いに独立して行われる。

上記より容易に理解できるように、ピンホールアレイ３０は、入射する光の偏光分離をより確実に行うために設けられる。従って、ピンホール３１の開口径は、偏光光７１を遮蔽し、偏光光７２を通過させることができるように設定される。即ち、ピンホール３１の開口径は、偏光回折格子１１のＸ軸方向寸法及びＹ軸方向寸法より小さく設定され、一般に小さければ小さいほど好ましいが、光の回折限界以下に小さくする必要はない。

図１に示した偏光センサー１は、図４に示した光学系単位をＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ４個ずつ、合計１６個配置しているが、本発明の偏光センサーはこれに限定されない。偏光センサーに設けられる光学系単位の総数は図１より多くても少なくてもよい。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各配置個数は同じである必要はなく、また図１よりも多くても少なくてもよい。更に、光学系単位の配置は図１のような格子点状である必要はなく、例えばハニカム状であってもよい。

また、偏光分離精度を向上させるために、偏光回折格子アレイ１０をＺ軸方向に２枚以上重ねて配置してもよい。

図５は、本発明の別の実施形態に係る偏光センサー２の概略構成を示した分解斜視図である。図５の偏光センサー２は、図１の偏光センサー１と以下の点で異なる。第１に、偏光回折格子アレイ１０を構成する４個×４個に配置された偏光回折格子１１のうち２行目及び４行目に配置された合計８個の偏光回折格子１１の媒質１２，１３の交互配列方向がＹ軸に対して同じ向きに４５°傾斜されている。第２に、この８個の偏光回折格子１１のうちの４個に対して、光の入射側に１／４波長板５１が設けられている。

１／４波長板５１の作製方法は特に限定されないが、図３Ａ〜図３Ｃに示した偏光回折格子アレイ１０と同様に重合性液晶を用いて作製することが好ましい。

具体的には、１／４波長板５１は以下のようにして作製することができる。

最初に、ガラス基板上に例えばポリイミド等からなる配向膜を形成し、ラビング処理を行う。次いで、この配向膜上に重合性液晶を塗布する。重合性液晶の硬化後の厚さが、常光偏光と異常光偏光との間の光路差が１／４波長になるように、重合性液晶の塗布厚さが設定される。次いで、紫外線を露光して重合性液晶を硬化させ、一定方向に配向した高分子液晶膜を作製する。次いで、フォトリソ及びエッチングにより、所定の領域のみに高分子液晶膜が残るように高分子液晶膜をパターンニングする。高分子液晶膜が残された領域が図５に示す１／４波長板５１となる。

あるいは、以下のようにして１／４波長板５１を作製することもできる。最初に、基板に対してフォトリソ及びエッチングを行って所定領域を減厚して、基板の片面に常光偏光と異常光偏光との光路差が１／４波長になるような段差を形成する。次いで、上記所定領域内に、さらにフォトリソ、エッチングによりピッチが数μｍ、深さが数〜数十ｎｍ程度の互いに平行な複数の微小微深溝を形成する。あるいは、基板の片面の所定領域に上記微小微深溝を形成し、その後、上記所定領域を異方性エッチング等により減厚して常光偏光と異常光偏光との光路差が１／４波長になるような段差を形成してもよい。次いで、電鋳工程により、このようにして得た段差付き基板の表面形状を反転した金型を作製する。作製した金型を用いて図３Ａと同様にして２Ｐ基板を作製し、図３及び図３Ｃと同様にしてこの２Ｐ基板上に重合性液晶を塗布し硬化させる。液晶性分子は、上記所定領域内に形成された微小微深溝に沿って配向する。この所定領域が図５に示す１／４波長板５１となる。

上記のようにして重合性液晶を用いて作製された１／４波長板５１では、液晶性分子の配向の方向が１／４波長板の遅相軸あるいは進相軸となる。

本実施形態の偏光センサー２を用いると、容易にストークスパラメータを取得することが可能になる。ストークスパラメータとは、偏光状態を表すパラメータである。ストークスパラメータについて説明する。

たとえばＺ方向に進む光は、互いに直交する以下の成分で表すことができる。

Ｅｘ＝Ａｘ・ｅｘｐ｛ｉ（ωｔ−ｋｚ＋δｘ）｝
Ｅｙ＝Ａｙ・ｅｘｐ｛ｉ（ωｔ−ｋｚ＋δｙ）｝
ここで、ωは角周波数、ｋは波数ベクトル、δｘ、δｙはそれぞれＸ方向及びＹ方向の光の位相、Ａｘ、Ａｙはそれぞれｘ方向及びｙ方向の電場振幅である。

ストークスパラメータは、４つパラメータＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３であり、次のように定義される。

Ｓ０＝＜Ａｘ²＞＋＜Ａｙ²＞
Ｓ１＝＜Ａｘ²＞−＜Ａｙ²＞
Ｓ２＝２＜ＡｘＡｙ・ｃｏｓδ＞
Ｓ３＝２＜ＡｘＡｙ・ｓｉｎδ＞
ここで、＜＞は時間平均を示し、δ＝δｙ−δｘである。

透過軸がＸ軸と平行になるように偏光子を配置した場合の透過光強度Ｉｘは＜Ａｘ²＞であり、透過軸がＹ軸と平行になるように偏光子を配置した場合の透過光強度Ｉｙは＜Ａｙ²＞であり、透過軸がＹ軸に対して４５°になるように偏光子を配置した場合の透過光強度Ｉ４５°は（１／２）・＜Ａｘ²＞＋（１／２）・＜Ａｙ²＞＋＜ＡｘＡｙ・ｃｏｓδ＞であり、透過軸がＹ軸に対して４５°になるように偏光子を配置し且つ進相軸の方位をＸ軸方向に設定した１／４波長板を偏光子よりも光源側に設置した場合の透過光強度ＩＱ４５°は（１／２）・＜Ａｘ²＞＋（１／２）・＜Ａｙ²＞＋＜ＡｘＡｙ・ｓｉｎδ＞である。この４つの透過光強度を測定すればストークスパラメータを得ることができる。

図５に示す偏光センサー２を用いると、一度に上記の４つの透過光強度を測定することができるので、ストークスパラメータを得ることができ、入射する光の偏光状態を高速に解析することができる。

図６は、本発明の一実施形態に係る偏光解析装置６の概略構成を示した図である。この偏光解析装置６は、光源６１と、コリメートレンズ６２と、偏光子６３と、偏光センサー６４と、信号処理演算部６５と、制御部６６と、出力部６７と、記憶部６８とを備えている。偏光子６３と偏光センサー６４との間に測定対象である試料を保持した試料セル６９が配置される。

光源６１は、測定に必要な波長の光を出射することができれば特に限定はないが、例えばレーザーやＬＥＤ等が好適である。光の波長を制御するための分光器が光源６１と偏光子６３との間に設けられていてもよい。

光源６１から出射された光は、コリメートレンズ６２によって略平行光に変換され、偏光子６３を通過し直線偏光とされる。直線偏光は試料セル６９に露光され、その透過光が偏光センサー６４で検出される。偏光センサー６４として、上述した本発明の偏光センサーが使用される。偏光センサー６４は、信号処理演算部６５に接続されている。信号処理演算部６５は、偏光センサー６４からの出力信号に基づいて、試料セル６９内の試料によって偏光状態が変化したか等の解析を行う。制御部６６は、信号処理演算部６５が行う信号処理・演算等の制御を行うとともに、信号処理演算部６５が出力した解析結果を出力部６７に出力させたり、記憶部６８に保存させたりする。出力部６７としては、モニター、プリンタ等を例示することができる。記憶部６８としては、ハードディスク、光ディスク、磁気テープ、半導体メモリ等を例示することができる。

偏光解析装置６は、偏光センサー６４として本発明の偏光センサーを用いるので、簡単な構成で簡便に偏光解析を行うことができる。

本発明の偏光解析装置は図６に限定されない。例えば光ファイバーからの出射光等の自発光や、物体に反射した光の偏光状態の解析を行う場合、光源６１、コリメートレンズ６２、偏光子６３、試料セル６９を取り除くことができる。

本発明の偏光解析装置６は、旋光度測定装置等にも応用することが可能である。

（実施例１）
図６に示す偏光解析装置を作成し偏光状態の解析を行った。

光源６１として、中心波長λが５６０ｎｍの市販のＬＥＤを用いた。偏光子６３として、市販の二色性偏光子を用いた。

図７に本実施例１の偏光センサー６４を構成する、一つの偏光回折格子１１１と、これに対応するレンズ２１１、ピンホール３１１、受光素子４１１とからなる一光学系単位の断面図を示す。本実施例１の偏光センサー６４は、ピンホール３１１が形成されたピンホールアレイがレンズアレイの受光素子アレイ側の面に形成されている点で、図１及び図４に示した偏光センサー１と異なる。

偏光回折格子アレイは図３Ａ〜図３Ｃに示した方法で作製した。最初に、フォトリソ、エッチング、電鋳工程を経て、互いに平行な複数の溝からなる凹凸形状を表面に形成した金型６０を作製した。次いで、この金型６０に、図３Ａに示すように、紫外線硬化樹脂６１を塗布し、更に紫外線硬化樹脂６１上にガラス基板６２を積層した。紫外線硬化樹脂６１として、ジシクロペンタジエニルヘキサアクリレート（共栄社化学製）に、イソボルニルアクリレート（共栄社化学製）、屈折率調整剤としてフェノキシアクリレート（共栄社化学製）、重合開始剤としてイルガキュア（チバスペシャリティケミカルズ製）を混合したものを用いた。紫外線硬化樹脂６１の硬化物の屈折率は１．５３であった。ガラス基板６２として、厚さ２００μｍの石英基板を用いた。次いで、ガラス基板６２を介して紫外線６３を露光して紫外線硬化樹脂６１を硬化させた。次いで、硬化した紫外線硬化樹脂６１及びガラス基板６２を金型６０から剥離して２Ｐ基板６４を得た。２Ｐ基板６４の紫外線硬化樹脂６１の表面には金型６０の凹凸形状が転写されていた。次いで、図３Ｂに示すように、上記２Ｐ基板６４の紫外線硬化樹脂６１上に重合性液晶６５をスピンコートで塗布した。重合性液晶としてＲＭＳ０３−００１Ｃ（メルク製）を用いた。なお、ＲＭＳ０３−００１Ｃの硬化物の常光屈折率は１．５２９、異常光屈折率は１．６８４である。次いで、図３Ｃに示すように、紫外線６６を露光し、重合性液晶６５を硬化し高分子化した。紫外線６６として光波長３６５ｎｍを主とした紫外線を用いた。

このようにして作製された偏光回折格子アレイに配置された偏光回折格子１１１においては、図３Ａ〜図３Ｃに示した方法により、紫外線硬化樹脂６１の凹凸形状の溝の表面と重合性液晶との間の分子相互作用により液晶性分子が自発的に溝の長手方向に沿って配向されるので、屈折率が異常光屈折率ｎe＝１．６８４となる直線偏光（異常光偏光）の方向は溝の長手方向に平行となり、屈折率が常光偏光ｎo＝１．５２９となる直線偏光（常光偏光）の方向は溝の長手方向に垂直となる。また、紫外線硬化樹脂部（等方性媒質１３）の屈折率は、高分子化された液晶部（複屈折性媒質１２）の常光屈折率と同じであり、異常光屈折率と異なるので、常光偏光を回折させず、異常光偏光を回折させる偏光回折格子となる。

２Ｐ基板６４の紫外線硬化樹脂６１の表面に形成された凹凸形状を構成する溝の幅は５μｍ、ピッチは１０μｍ、深さは１．８７μｍに設定した。この溝深さは、波長λ＝５６０ｎｍの異常光偏光が偏光回折格子１１１を通過するときに紫外線硬化樹脂部（等方性媒質１３）と液晶部（複屈折性媒質１２）との間で１／２λの位相差を生じさせる。溝幅／溝ピッチ＝０．５、及び偏光回折格子１１１で発生する位相差が１／２λの場合、ほぼ全ての光が回折される。従って、偏光回折格子１１１により常光偏光と異常光偏光との偏光分離が可能になる。溝ピッチが１０μｍの場合、波長λ＝５６０ｎｍの異常光偏光の１次回折光は、空気中で光軸に対して３°の角度へ回折される。

偏光回折格子アレイに、一辺が５０μｍの正方形の偏光回折格子１１１を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ５０μｍピッチで６個ずつ合計３６個を正方配列した。３６個の偏光回折格子の媒質１２，１３の交互配列方向は、Ｙ軸に対して時計回り方向に０°から３５０°まで１０°おきに順に異ならせた。つまり、偏光回折格子アレイは、常光偏光を回折させず異常光偏光のみを回折させる３６個の偏光回折格子１１１を備え、３６個の偏光回折格子の媒質１２，１３の交互配列方向が、１０°おきに３６種類存在するように同一面内に配置されている。偏光回折格子アレイを構成している偏光回折格子１１１は、図３Ａ〜図３Ｃに示した方法で作製されているので、回折を起こさない常光偏光方向及び回折を起こす異常光偏光方向は媒質１２，１３の交互配列方向と関係する。従って、偏光回折格子アレイは、回折を起こさない常光偏光方向及び回折を起こす異常光偏光方向が、１０°おきに３６種類存在するように同一面内に配置された偏光分離素子アレイである。

レンズアレイは、石英基板（屈折率１．４５）上に２Ｐ法により以下のようにして作製した。最初に、石英透明基板上に紫外線硬化樹脂を塗布し、グレイスケールマスクを介して露光し現像してレンズ形状を作製した。次いで、Ｎｉ電鋳工程により、このレンズ形状を反転した金型を作製した。得られたＮｉ金型上に、偏光回折格子１１１の作製に用いたのと同じ紫外線硬化樹脂を塗布し、更に石英基板（屈折率１．４５）を積層した。そして、上記した偏光回折格子１１１の作製と同様に紫外線硬化樹脂を硬化させ、金型から剥離して、紫外線硬化樹脂に金型のレンズ形状を転写させてレンズアレイを得た。レンズ２１１の曲率半径は１８５．５μｍ、よってレンズ２１１の焦点距離ｆは３５０μｍに設定した。紫外線硬化樹脂からなるレンズ２１１を保持する石英基板２２１の厚さは５００μｍとした。従って、レンズ２１１の光軸と平行にレンズ２１１に入射した光は、石英基板２２１のレンズ２１１が形成された面とは反対側の面に集光される。レンズ２１１の光軸に対して３°の角度で斜めに入射した光は、当該光軸から約２０μｍ離れた位置に集光される。

ピンホールアレイはレンズアレイ（石英基板２２１）のレンズ２１１が形成されている面とは反対側の面に、ブラックレジストを用いてフォトリソ工程を利用して作製した。ピンホール３１１は、レンズ２１１の光軸上に直径１０μｍの円形に形成した。

受光素子アレイとして、市販のＴＦＴセンサーアレイを用いた。受光素子アレイにおいて、幅２０μｍの長方形の受光部４２１を有する受光素子４１１を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれそれぞれ５０μｍピッチで６個ずつ合計３６個を正方配列した。各受光部４２１は、対応するレンズ２１１の光軸上に配置した。

上記の偏光回折格子アレイ、レンズアレイ、受光素子アレイを、測定に影響しない領域に形成したアライメントマークを用いて位置合わせして組み合わせ、偏光センサー６４を作製した。

このようにして作製した偏光解析装置を利用して偏光解析を行った。試料セル６９として１／４波長板を設置し、その光学軸を回転させたときの偏光センサー６４からの出力信号を解析した。偏光子６３を通過した直線偏光は、直線偏光の偏光方向に対して１／４波長板の光学軸がなす角度が０°、９０°以外である場合、１／４波長板によって楕円偏光に変換され、特に当該角度が４５°である場合は円偏光に変換される。偏光センサー６４からの信号を解析することにより、１／４波長板を回転したときに偏光センサー６４に入射する光の偏光状態がこのように変化することを確認することができた。

（実施例２）
図６に示す偏光解析装置を作成し偏光状態の解析を行った。本実施例２では、図５に示した偏光センサー２と同様に、偏光センサー６４として偏光回折格子の光の入射側に１／４波長板が設けられたものを用いた。

光源６１として、中心波長λが５６０ｎｍの市販のＬＥＤを用いた。偏光子６３として、市販の二色性偏光子を用いた。

図８に本実施例２の偏光センサー６４を構成する、一つの偏光回折格子１１２と、これに対応する１／４波長板５１２、レンズ２１２、ピンホール３１２、受光素子４１２とからなる一光学系単位の断面図を示す。本実施例２の偏光センサーは、偏光回折格子１１２の光の入射側に１／４波長板５１２が設けられている点、及び、レンズアレイの隣り合うレンズ２１２の境界部分にブラックマトリクス２１３が設けられている点で、図７に示した実施例１の偏光センサーと異なる。

偏光回折格子アレイは、実施例１と同じ材料を用いて実施例１と同じ方法で作製した。２Ｐ基板６４の紫外線硬化樹脂６１の表面に形成された凹凸形状を構成する溝の形状も実施例１と同じとした。但し、実施例１と異なり、偏光回折格子アレイに、一辺が１００μｍの正方形の偏光回折格子１１２を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ１００μｍピッチで８個ずつ合計６４個を正方配列した。媒質１２，１３の交互配列方向がＹ軸に対して時計回り方向に０°、９０°、４５°、４５°である４つの偏光回折格子を、Ｘ軸方向×Ｙ軸方向に２×２の４領域に配置した偏光回折格子ユニットを、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ４つずつ配置した。本実施例の偏光回折格子アレイは実施例１と同じ方法で作製しているので、回折を起こさない常光偏光方向及び回折を起こす異常光偏光方向は媒質１２，１３の交互配列方向と関係する。従って、偏光回折格子アレイは、回折を起こす異常光偏光方向が、Ｙ軸に対して０°、９０°、４５°の３種類存在するように同一面内に配置された偏光分離素子アレイである。

レンズアレイは、実施例１と同じ材料を用いて実施例１と同じ方法で作製した。但し、実施例１と異なり、レンズ２１２の曲率半径は３７１μｍ、よってレンズ２１２の焦点距離は７００μｍに設定した。紫外線硬化樹脂からなるレンズ２１２を保持する石英基板２２２の厚さは１０００μｍとした。従って、レンズ２１２の光軸と平行にレンズ２１２に入射した光は、石英基板２２２のレンズ２１２が形成された面とは反対側の面に集光される。レンズ２１２の光軸に対して３°の角度で斜めに入射した光は、当該光軸から約４０μｍ離れた位置に集光される。レンズアレイのレンズ２１２が形成された側の面上の、隣り合うレンズ２１２間の境界部分には、ブラックレジストを用いてフォトリソ工程を利用してブラックマトリクス２１３を設けた。

実施例１と同様に、ピンホールアレイはレンズアレイ（石英基板２２２）のレンズ２１２が形成されている面とは反対側の面に、ブラックレジストを用いてフォトリソ工程を利用して作製した。ピンホール３１２は、レンズ２１２の光軸上に直径１０μｍの円形に形成した。

受光素子アレイとして、市販のＴＦＴセンサーアレイを用いた。受光素子アレイにおいて、幅２０μｍの長方形の受光部４２２を有する受光素子４１２を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれそれぞれ１００μｍピッチで８個ずつ合計６４個を正方配列した。各受光部４２２は、対応するレンズ２１２の光軸上に配置した。

１／４波長板５１２は、以下のような方法で作製した。

最初に、厚さ３００μｍの石英基板（屈折率１．４５）５２２上に厚さ０．１μｍ程度のポリイミド膜を形成し、ラビング処理を行い配向膜を形成した。次いで、この配向膜上に重合性液晶をスピンコートで塗布した。重合性液晶としてＲＭＳ０３−００１Ｃ（メルク製）を用いた。重合性液晶の塗布厚さは、紫外線硬化後に厚さ０．９３μｍになるように設定した。次いで、紫外線を露光して重合性液晶を硬化させ、一定方向に配向した高分子液晶膜を作製した。次いで、フォトリソ及びエッチングにより、一辺が１００μｍの正方形領域がＸ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれにおいて２００μｍピッチで残るように、高分子液晶膜をパターニングした。残された一辺が１００μｍの正方形の高分子液晶膜が１／４波長膜５１２である。高分子液晶膜の厚さ０．９３μｍは、波長λ＝５６０ｎｍの光が透過したときに常光偏光と異常光偏光との間の位相差が１／４λになる厚さである。

上記の１／４波長板、偏光回折格子アレイ、レンズアレイ、受光素子アレイを、測定に影響しない領域に形成したアライメントマークを用いて位置合わせして組み合わせ、偏光センサー６４を作製した。１／４波長板５１２は、４種類の偏光回折格子からなる偏光回折格子ユニットを構成する、媒質１２，１３の交互配列方向がＹ軸に対して４５°をなす２つの偏光回折格子（つまり、回折され、常光偏光から分離される異常光偏光の方向が、Ｙ軸に対して４５°をなす２つの偏光回折格子）のうちの一方のみに重なるように配置した。

このようにして作製した偏光解析装置を利用して偏光解析を行い、ストークスパラメータを取得した。試料セル６９として１／４波長板を設置し、その光学軸を回転させたときの偏光センサー６４からの出力信号を解析した。偏光子６３を通過した直線偏光は、直線偏光の偏光方向に対して１／４波長板の光学軸がなす角度が０°、９０°以外である場合、１／４波長板によって楕円偏光に変換され、特に当該角度が４５°である場合は円偏光に変換される。偏光センサー６４からの信号を解析することにより、１／４波長板を回転したときに偏光センサー６４に入射する光の偏光状態がこのように変化することをストークスパラメータにより確認することができた。

本発明の利用分野は特に制限はなく、偏光状態を解析する必要がある分野に広範囲に利用することができる。

１，２，６４ 偏光センサー
６ 偏光解析装置
１０ 偏光回折格子アレイ
１１，１１１，１１２ 偏光回折格子
１２ 複屈折を有する光学媒質
１３ 等方性媒質
２０ レンズアレイ
２１，２１１，２１２ レンズ
３０ ピンホールアレイ
３１，３１１，３１２ ピンホール
４０ 受光素子アレイ
４１，４１１，４１２ 受光素子
５１，５１２ １／４波長板

Claims (8)

1. 常光屈折率がｎoであり異常光屈折率がｎeである複屈折を有する光学媒質と、屈折率がｎoあるいはｎeである等方性媒質とが周期的に交互に配列され、常光偏光及び異常光偏光のいずれか一方のみを回折させる複数の偏光回折格子を備え、
   前記複数の偏光回折格子は、前記複屈折を有する光学媒質と前記等方性媒質とが交互に配列された方向が少なくとも２種類以上存在するように同一面内に配置されていることを特徴とする偏光回折格子アレイ。
2. 前記複屈折を有する光学媒質は液晶性分子であることを特徴とする請求項１に記載の偏光回折格子アレイ。
3. 前記偏光回折格子アレイに対して光の出射側に、前記複数の偏光回折格子と一対一に対応した複数のピンホールが同一面内に配置されたピンホールアレイを更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の偏光回折格子アレイ。
4. 前記偏光回折格子アレイに対して光の出射側に、前記複数の偏光回折格子と一対一に対応し且つ前記複数の偏光回折格子を透過した光をそれぞれ集光する複数のレンズを有するレンズアレイを更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の偏光回折格子アレイ。
5. 前記偏光回折格子アレイに対して光の出射側に、
   前記複数の偏光回折格子と一対一に対応した複数のピンホールが同一面内に配置されたピンホールアレイと、
   前記複数の偏光回折格子と一対一に対応し且つ前記複数の偏光回折格子を透過した光をそれぞれ集光する複数のレンズを有するレンズアレイと
   を更に備え、
   前記ピンホールアレイは前記レンズアレイの焦点面又はその近傍に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の偏光回折格子アレイ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の偏向回折格子アレイと、前記複数の偏光回折格子と一対一に対応し且つ前記複数の偏光回折格子を透過した光をそれぞれ受光する複数の受光素子を有する受光素子アレイとを備えることを特徴とする偏光センサー。
7. 前記複数の偏光回折格子のうちの少なくとも１つに対応する１／４波長板が前記偏光回折格子アレイに対して光の入射側に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の偏光センサー。
8. 請求項６又は７に記載の偏向センサーを備えることを特徴とする偏光解析装置。

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