JP2791479B2 - レターデーション測定方法 - Google Patents

レターデーション測定方法

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は一般的に各種材料の複屈折特性を測定する方
法に関し、例えばプラスチックシート等のシート状材料
への応用にも適した方法に関する。
(従来の技術) 光学的な装置では材料の複屈折性が問題になる場合が
多く、またプラスチックシート等は延伸によって複屈折
性を帯びるので、複屈折の程度によって延伸度合いを検
出し管理することができる。このように色々な場合に材
料の複屈折特性を測定する必要が生じるが、アッベの屈
折計を用いるような方法は試料の形状に制限があり、測
定操作も面倒で、直読的に測定結果を表示するのが難し
い。試料を偏光子とこれを直交させた検光子との間に挟
入し、白色光を入射させて透過光が呈する干渉色を見て
干渉色図表から試料のレターデーション(常光異常光の
試料内での光路長差)を求えると云った方法もあるが、
実験的な方法で精度も低く自動化も困難である。そこで
より精度良く、かつ自動的に複屈折特性を測定する方法
が特開昭60−13245号とか特開昭52−65489号等によって
提案されている。これらの方法は単一波長の直線偏光を
試料に入射させ、試料を透過した回転偏光の状態から試
料のレターデーションを求めるものである。複屈折を起
す試料では試料の光軸に垂直な方向に進行する偏光に対
して最大屈折率を呈する偏光の偏波方向とそれと直交す
る最小屈折率を呈する偏光の偏波方向とがあり、上記最
大屈折率および最小屈折率を主屈折率と呼びこれをn1,n
2で表わし、試料の厚さをTとするとレターデーションR
tはT(n1−n2)で与えられる。所で上述方法によって
直接求まるのはRtではなく、Rtを波長で割ったときの端
数、つまり試料透過光における常光と異常光との位相差
でこれは0から2πの間で変化しているだけでRtを一義
的に決めることができない。上記特開昭60−13245号は
試料の光の吸収係数を用い、透過光の減衰からTを求め
てRtを決定している。特開昭52−65489号は試料が薄く
てレターデーションが半波長程度以下の場合に適用され
るものである。
(発明が解決とするための課題) 本発明は試料の厚さに関係なく簡単な操作で試料のレ
ターデーションが正確に測定できる方法を提供しようと
するものである。
(課題を解決しようとする手段) 偏光方向を一定の角度で交わらせた偏光子と検光子と
の間に試料を挿入し、試料と偏光子検光子結合体とを相
対的に回転させたときの回転角と偏光子,試料,検光子
の3者透過光強度との関係を二つの波長の光について測
定し、一つの波長の光についての上記測定結果を用いて
算出される多数の計算上のレターデーションの値と他の
一つの波長の光についての上記測定結果を用いて算出さ
れる多数の計算上のレターデーションの値とから互いに
最も近接した一組の値を探し出すようにした。
(作用) 一つの波長の光によつてレターデーションを算出する
のは従来の方法と同じである。この場合レターデーショ
ンの値は計算上とびとびに無数の値が求まる。測定に用
いる波長が異なると二つの主屈折率が何れの波長におい
ても変らない場合でも試料内に含まれる波数が異なるか
ら計算上求まる無数のレターデーションの値も異なった
ものとなるが、レターデーションの値は波長に関せず一
定の筈であるから、第1の波長における計算上のレター
デーションの値の群と第2の波長における計算上のレタ
ーデーションの値の群とから互いに最も近接した値を探
し出すことにより、多数算出される計算上のレターデー
ションの値から一義的に一つの値を決定することができ
る。
(実施例) 第1図に本発明の一実施例を示す。1は光源、2はフ
ィルタ板で、互いに異なる単一波長の光を透過させる二
種類の単色フィルタ2a,2b交換可能に取付けられてお
り、光源1から2つの波長λ1の光を交互に取出せ
るようにしてある。3は偏光子、5は検光子で、夫々の
偏光方向が一定の角度この実施例では平行の関係を保っ
て一体的に回転できるようにしてあり、モータ7によっ
て回転せしめられる。4は偏光子3と検光子5との間に
挿入された試料である。6は光検出器で検光子5を透過
した光を受光する。10はコンピュータでインターフェー
ス9を介して光検出器6の出力信号およびモータ軸に取
付けられた回転角検出器8の出力信号を取込んでデータ
処理を行い、またモータ7を制御する。コンピュータ10
によるデータ処理の結果はCRT11に表示され、またプリ
ンタ12によって記録される。13はキーボードでコンピュ
ータ10に種々な指令およびデータ処理に必要なパラメー
タを入力するのに用いられる。
上述した装置において一つのフィルタ2aを選び図の位
置に試料を置いて光検出器6の出力を偏光子2と検光子
5の一体物の回転角θの関数として極座標で表示すると
第2図のようなグラフが得られる。今の場合試料には直
線偏光が入射しているが、試料が複屈折性を有する場
合、試料透過光は一般に楕円偏光になっており、その長
軸,短軸の比および長軸方向は試料の厚さによって変化
する。第3図は試料の屈折率楕円を示し、X軸,Y軸は上
述装置で装置光軸Zに垂直な平面上に想定した座標軸で
偏光子,検光子の回転角θはY軸を基線にして測られ
る。第3図でn1,n2は二つの主屈折率でAA′およびBB′
が各主屈折率の方向で、PP′が偏光子および検光子の方
向である。偏光子,検光子の方向PP′がAA′或はBB′と
一致したときは複屈折は起らず入射光はそのまゝ試料,
検光子を透過するから第2図に示すようにAA′およびB
B′の方向で光検出出力は極大を示す。PP′がAA′とB
B′の丁度中間即ちAA′およびBB′に対して夫々45゜の
方向QQ′であるとき、試料への入射直線偏光のAA′方向
およびBB′方向の成分の振幅は互いに等しく入射光振幅
Aの である。このAA′方向成分およびBB′方向成分の試料透
過時の位相が一致するときは出射光は入射光と振幅の等
しいQQ′方向の直線偏光であり、光検出出力は偏光子検
光子がAA′あるいはBB′方向であるときと同じになり、
第2図のグラフは円となる。PP′がQQ′であるとき、試
料透過光の二つの主屈折率方向の成分の位相差が90゜で
あると振幅が の円偏光となり、光検出強度は最大時の1/2になり、位
相差が180゜のときは前述位相差0のときと直交する方
向の直線偏光となって検光子により阻止され、光検出信
号は0となる。つまり第2図のグラフで極大値を示す方
向と45゜の角をなす方向の光検出信号値と光検出信号の
最大値の比率により、二つの主屈折率方向の透過光の位
相差を知ることができる。所で測定対象は原理的には二
つの主屈折率n1,n2で未知数が二つであるから、位相差
のデータが一つだけでは二つの主屈折率を決定すること
ができない。そこで第2のフィルタ2bを選んで前述と同
じ測定を行うと、偏光子,検光子がQQ′方向のときの試
料透過光の二つの主屈折率方向成分の位相差として上述
フィルタ2aを選んだときと異なる値が得られる。フィル
タ2a,2bによって得られる二つの波長λ1に対して
二つの主屈折率が同じとみなせるように二つの波長を選
ぶと次のようにして二つの主屈折率n1,n2の差を求める
ことができる。
試料の厚さをTとすると屈折率n1に対して試料内の波
長λの光の波数N1は N1=n1T/λ 同様にして屈折率n2に対する波数N2は N2=n2T/λ 同相で入射した二つの主屈折率方向の同波長の光の試料
出射時の位相差Δは Δ=2π(N1−N2)=(2π/λ)T(n1
n2) 偏光子,検光子の方向が第3図のQQ′方向であるとき入
射光の試料の二つの主屈折率方向成分は同相同振幅であ
るから、出射光のQQ′方向の振幅は次のようにして求め
られる。
まず、試料の光吸収率が偏光の方向によって異ならな
い場合を考える。試料への入射光はQQ′方向の直線偏光
でその振幅をAとすると主屈打率n1方向成分の振幅は でこれのQQ′方向成分の振幅はA/2であり、この成分を
(A/29cosωtで表わすと、主屈折率n2方向成分のQQ′
方向成分は上記よりΔの位相の遅れがあるので、 (A/2)cos(ωt−Δ) と表せる。計算の便宜上前者を(A/2)cos(ωt+Δ1/
2)と書くと後者は(A/2)cos(ωt−Δ1/2)と書け
る。従って試料出射光のQQ′方向成分の振動は (A/2){cos(ωt+Δ1/2)+cos(ωt−Δ1/2)} ……(イ) となり、これを整理すると Acos(Δ1/2)cosωt ……(ロ) となり、試料出射光のQQ′方向成分の振幅Aqは Aq=Acos(Δ1/2) 従って光検出出力は A2q=A2cos2(Δ1/2) 光検出出力の最大値は偏光子,検光子のAA′方向或はB
B′方向の時に検出されAであるから、最大最小の比Aq2
/A2=R1は R1=cos2(Δ1/2)=cos2(π/λ)T(n1−n2) ……(1) 同様にして波長λ2の光で測定した場合は添数字を2と
して R2=cos2(π/λ)T(n1−n2) ……(2) 上記(1)(2)式でR1,R2は実測値であり、λ1
は既知であるから別途Tを測定すれば、(1)(2)式
からレターデーションT(n1−n2)が算出される。
(1)式から 上記(3)式を満足するT(n1−n2)の値は計算上は無
数に存在する。同様にして(2)式から (4)式を満足するT(n1−n2)の値も無数に存在す
る。所で(3)(4)式は同一試料で波長を変えて測定
した結果を表しており、両式でTは同じ、n1,n2も波長
により殆ど変わらないから、(3)(4)両式が同時に
成立つのであるから、上記各無数の計算上のレターデー
ションの値の中から非現実的でない適当な範囲内で互い
に最もよく一致(原理的には完全に一致するが測定誤差
があるから実際上完全一致は得られない)する一組の値
を選んで平均すればよい。
以上は簡単のため試料の光吸収率が偏光方向によって
異ならない場合である。主屈折率n1,n2の方向の偏光に
対する吸収率が異なる場合、振幅吸収率a1,a2の比をa1/
a2=αとする。この場合偏光子,検光子の方向がAA′お
よびBB′であるときの光検出出力の比によって吸収率の
比が求まり、これの平方根としてαが得られる。次に前
記(イ)式は (A/2){cos(ωt+Δ1/2)+αcos(ωt−Δ1/2)} (ロ)式は (A/2){(1+α)cos(Δ1/2)cosωt+(1−α) ×sin(Δ1/2)sinωt} 上式は 上式はさらに整理すると 従って前記(1),(2)式は R1=(1/4){1+α1 2+2α1cos(2π/λ) ×T(n1−n2)} ……(5) R2=(1/4){1+α2 2+2α2cos(2π/λ) ×T(n1−n2)} ……(6) (5)(6)式でR1,R21は実測値から求まる値
であるからT(n1−n2)は前述同様の方法で決定でき
る。こゝでR1,R2は主屈折率n1の方向即ち第3図でAA′
方向の光検出出力とQQ′方向の光検出出力との比を用い
る。これはこの方向を上記計算の基準にとったからであ
る。
本発明方法とコンペンセータを用いたレターデーショ
ン相減現象を利用する方法とを比較してみた。6つの試
料を対象に、偏光顕微鏡とベレックコンペンセーターを
用い、レターデーションの相減現象を利用した干渉色の
観察から試料のレターデーションを求めた結果とλ
590.9nm,λ=657.3.nmの波長の光を用いて本発明の方
法により測定し、レターデーション<3000nmの範囲で両
方のレターデーションの差が最小となるRtの組を求めた
結果を表1に示す。
6つの試料として、PET(ポリエチレンテレフタノー
ト;58/μm),FEP(弗素化ポリマー;148/μm),PS(ポ
リスチレン;48/μm),PP(ポリプロレン;28/μm),PS
(ポリスチレン;111/μm),PP(ポリプロレン;28/μ
m), 表1の結果からベレックコンペンセーターを用いた測
定値と本発明法による測定値が非常に似た値となり、本
発明法で測定波長の1/2以上のレターデーションの値も
求めることが可能であることが分かる。測定精度につい
ては、ベレックコンペンセーターを用いる場合、その特
性上、Rtが大きい程、誤差が大きくなり、また、測定者
による個人差があるという欠点もある。一方本発明法の
場合、一つの試料で20回連続測定した時のRtの標準偏差
が、0.1nm以下という高精度である。
(発明の効果) 本発明によれば操作が簡単で、人間の色感覚を用いる
方法のような個人差が入らず安定して高精度の測定がで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明方法を実行する装置の一例のブロック
図、第2図は一波長についての測定結果のグラフ表示、
第3図は本発明方法の説明に用いられる角度,方向等の
説明図である。 1……光源、2a,2b……フィルタ、3……偏光子、4…
…試料、5……検光子、6……光検出器、7……モー
タ、8……回転角検出器、9……インターフェース、10
……コンピュータ、11……CRT、12……プリンタ、13…
…キーボード。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 21/23 G01N 21/88

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】偏光方向を一定の角度で交わらせた偏光子
    と検光子との間に試料を挿入し、試料と偏光子検光子結
    合体とを相対的に回転させたときの回転角と偏光子,試
    料,検光子の3者透過光強度との関係を二つの波長の光
    について測定し、一つの波長の光についての上記測定結
    果を用いて算出される多数の計算上のレターデーション
    の値と他の一つの波長の光についての上記測定結果を用
    いて算出される多数の計算上のレターデーションの値と
    から互いに最も近傍した一組の値を探し出すことを特徴
    とするレターデーション測定方法。
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