JP2995714B2

JP2995714B2 - 複屈折測定装置

Info

Publication number: JP2995714B2
Application number: JP8066071A
Authority: JP
Inventors: 宏行高和
Original assignee: 有限会社ユニオプト
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1996-03-22
Publication date: 1999-12-27
Anticipated expiration: 2016-03-22
Also published as: JPH08327498A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複屈折測定装置に
係り、特に液晶ディスプレイ用の液晶パネル、ファラデ
ー回転素子、光スイッチ等の光関連分野に使用される試
料の直線複屈折（複屈折位相差及び主軸方位）と円複屈
折（旋光角）とを測定する複屈折測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、複屈折測定装置にあっては、
（１）：回転検光子法、（２）：位相補償法、（３）：
セナルモン法、（４）：位相変調法、（５）：光ヘテロ
ダイン法等の複屈折測定法を適用したものが知られてい
る。

【０００３】（１）：回転検光子法とは、直線偏光を被
測定物に入射させ、その透過光の光強度を、光軸を中心
に回転させられている検光子を通して検出し、その検出
した光強度の最大値と最小値から被測定物の複屈折量を
算出する方法である。

【０００４】（２）：位相補償法とは、偏光子と検光子
とを互いに中心軸が直交する位置に配設し、その偏光子
及び検光子間の光路中に被測定物をその複屈折主軸の方
向が偏光子の軸に対して４５度傾くように配置すると共
に、被測定物及び検光子間の光路中に位相補償子（バビ
ネ補償子又はバビネソレイユ補償子等）を配置した構成
で、位相補償子を透過光量が最小となるように調節する
ことにより、その調節量から複屈折量を算出する方法で
ある。

【０００５】（３）：セナルモン法とは、偏光子の出射
側に被測定物及び４分の１波長板を順次、偏光子の軸に
対して４５度傾くように配置し、４分の１波長板の出射
側に検光子を光軸を中心にして回転可能に配設した構成
で、透過光量が最小となるように検光子を回転させて調
節し、その回転角から複屈折量を算出する方法である。

【０００６】（４）：位相変調法とは、光弾性変調素子
を用いて光の位相を変調させて、被測定物、検光子を通
して光強度を検出することにより、光弾性変調素子の変
調信号と光強度信号との位相差から複屈折量を算出する
方法である。

【０００７】（５）：光ヘテロダイン法とは、２周波直
交直線偏光を２分割し、その一方を被測定物に入射させ
て、その透過光の光ビート信号を検光子と光検出器を用
いて検出すると共に、２分割した他方を参照用の光ビー
ト信号として上記別の検光子と光検出器を用いて検出す
ることにより、両光ビート信号の位相差から複屈折量を
算出する方法である。

【０００８】このように（１）〜（５）の複屈折測定法
を適用した複屈折測定装置にあっては、試料の直線複屈
折の大きさ（複屈折量）を取得するものか、又は直線複
屈折の大きさとその主軸方向とを同時に取得するものが
知られている（例えば、特開平５−２４９０３１号又は
特公平６−１２３３３号）。

【０００９】特に、（５）の複屈折測定法を適用した複
屈折測定装置に関しては、特公昭５９−５０９２７号に
開示されているように、試料の直線複屈折の大きさだけ
でなく、その２色性又は旋光性（旋光角）に関する情報
をも取得する技術が知られている。

【００１０】ところで一方、近年、例えば液晶分野にお
いては、「液晶層の厚さ」や「液晶分子の配向方向」が
液晶ディスプレイの画質良否を左右する重要なファクタ
の１つとして認識されるようになってきた。

【００１１】例えば、「液晶層の厚さ」は、液晶セルの
セルギャップとして「液晶をセルに入れない状態」で、
例えば２光束干渉法を用いることで評価されている。

【００１２】また、「液晶分子の配向方向」は、特に、
ツイスト・ネマティック（ＴＮ）液晶又はスーパー・ツ
イスト・ネマティック（ＳＴＮ）液晶の場合に、そのツ
イスト角（液晶パネルの片面及びその反対面間の液晶分
子の配向方向に関する角度）として把握できるため、そ
のツイスト角を測定することにより液晶分子の配向方
向、即ち液晶の品質を評価することができる。ここで、
液晶分子の向きは、ラビング膜でコントロールされてい
るため、このラビング膜の良否によっては液晶分子に配
向ムラが生じ、ツイスト角も変化する。このツイスト角
は、一般に複屈折主軸方位と旋光角とを計測することで
測定できることが知られている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記
（１）〜（５）の複屈折測定法を適用した従来の殆どの
複屈折測定装置は、「複屈折量（複屈折位相差）」及び
「主軸方位」に代表される直線複屈折に関する情報だけ
を主に取得する構成であったため、「旋光角」に代表さ
れる円複屈折に関する情報が殆ど取得できなかった。

【００１４】従って、従来技術にあっては、例えば液晶
に関する品質を評価する上で、特にＴＮ液晶又はＳＴＮ
液晶における「液晶をセルに入れた状態」でのセルの厚
さや液晶分子の配向方向等を殆ど知ることができなかっ
た。

【００１５】また、液晶以外の光関連分野においても、
例えばファラデー回転素子や光スイッチ（ポッケルズ・
セル等）の動作時の旋光特性等に関しては、従来技術で
は殆ど知ることができなかった。

【００１６】さらに、上述の「旋光角」に関する情報を
取得する技術も知られているが、この技術にあっても、
試料の主軸方位を予め知る必要があったり、参照ビート
信号を得る際にアライメントが一般に難しいブリュース
ター反射器を用いた構成であったため、実用化が難し
く、仮に実用化されたとしても上述の液晶等の品質評価
に関するニーズを十分に満足させることができないとい
った問題があった。

【００１７】本発明は、上述の従来技術の問題を考慮し
てなされたものであり、光関連分野に利用される液晶等
の試料に関する品質評価を正確且つ容易に実施できると
共に、直線複屈折に関する情報（複屈折位相差及び主軸
方位）と円複屈折に関する情報（旋光角）とを同時に且
つ個別に取得できる複屈折測定装置を提供することを目
的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明に係る複屈折測定装置は、２つ
の互いに異なる周波数成分を有し且つその２つの周波数
成分が互いに直交する直線偏光となるレーザ光を発振す
る光源と、この光源によるレーザ光の２つの周波数成分
を測定対象の試料を介して光学的に相互に干渉させる直
線偏光子と、この直線偏光子による干渉後の光ビート成
分を含む光信号を検出する光検出器とを含む光学システ
ムを備えると共に、この光学システムによる上記光信号
に基づいて上記試料の複屈折に関する情報を取得するデ
ータ取得システムを備えた構成となっている。

【００１９】この構成で、上記光学システムは、上記試
料に入射される前の上記レーザ光の２つの周波数成分の
夫々における偏光面の方位を当該レーザ光の光軸を中心
として定めた基準方位に対して２つの互いに４５度異な
る角度に切り換えて旋光させる旋光手段と、この旋光手
段により旋光された当該２つの周波数成分の夫々が上記
試料を介して入射される上記直線偏光子を上記光軸を中
心として所定の周期で回転させる駆動手段とを備えてい
る。

【００２０】上記データ取得システムは、上記駆動手段
が当該直線偏光子を回転させている間における上記光検
出器が検出する光信号から上記光ビート成分に関する交
流成分の正弦波成分及び余弦波成分を抽出する信号抽出
手段と、この信号抽出手段により抽出された正弦波成分
及び余弦波成分に基づいて上記試料の少なくとも直線複
屈折に関する複屈折位相差及び複屈折主軸方位と円複屈
折に関する旋光角とを同時に演算するデータ演算手段と
を備えている。

【００２１】請求項２記載の発明では、前記光源は周波
数安定化横ゼーマンレーザである。

【００２２】請求項３記載の発明では、前記データ取得
システムは、前記旋光手段による前記偏光面の方位の角
度切換状態と前記駆動手段による前記直線偏光子の回転
状態とを制御する手段を備えている。

【００２３】請求項４記載の発明では、前記旋光手段
は、前記光源から入射されたレーザ光の２つの周波数成
分の夫々における偏光状態の位相を１８０度変換させる
半波長板と、この半波長板の主軸方位を前記光軸を中心
とした基準方位に対して２つの互いに２２．５度異なる
角度に切換可能に回転させる回転機構とを備えている。

【００２４】請求項５記載の発明では、前記旋光手段
は、前記光源から入射されたレーザ光の２つの周波数成
分の夫々における偏光面の方位を前記光軸を中心とした
基準方位に対して４５度に旋光させる旋光子を含んでい
る。

【００２５】請求項６記載の発明では、前記駆動手段
は、前記直線偏光子を光軸を中心として回転させる回転
機構を備えている。

【００２６】請求項７記載の発明では、前記信号抽出手
段は、前記光検出器が検出した光信号から前記交流成分
の正弦波成分及び余弦波成分を抽出するロックインアン
プを備えている。

【００２７】請求項８記載の発明では、前記旋光手段
は、前記２つの互いに４５度異なる角度として前記基準
方位に対して０度及び４５度を用いた手段である。

【００２８】請求項９記載の発明では、前記データ演算
手段は、前記偏光面の方位が前記基準方位に対して０度
のときの前記余弦波成分における前記直線偏光子の１回
転に対して２周期で変化する２周期成分の余弦成分の振
幅をＡＣ_C0とし、その２周期成分の正弦成分の振幅をＡ
Ｃ_S0とし、上記偏光面の方位が基準方位に対して４５度
のときの上記２周期成分の内の余弦成分の振幅をＡＣ_C1
とし、その２周期成分の内の正弦成分の振幅をＡＣ_S1と
し、上記偏光面の方位が０度又は４５度のときの前記正
弦波成分における上記２周期成分の振幅をＡＳ₀とし、
その２周期成分の初期位相をФＳ₀とし、前記試料の複
屈折位相差をΔとし、複屈折主軸方位をφとし、旋光角
をψとしたとき、この複屈折位相差Δを、

【数７】の計算式で演算し、かつ、上記複屈折主軸方位φ及び旋
光角ψを、

【数８】又は、

【数９】の計算式で演算する手段である。

【００２９】請求項１０記載の発明では、前記光学シス
テムは前記試料を搭載する搭載デバイスを更に備えてい
る。

【００３０】請求項１１記載の発明では、前記データ取
得手段は、前記演算手段が演算した前記試料の複屈折位
相差、複屈折主軸方位及び旋光角を出力する出力デバイ
スを更に備えている。

【００３１】請求項１２記載の発明に係る複屈折測定装
置は、２つの互いに異なる周波数成分を有し且つその２
つの周波数成分が互いに直交する直線偏光となるレーザ
光を発振する光源と、この光源によるレーザ光の２つの
周波数成分を測定対象の試料を介して光学的に相互に干
渉させる直線偏光子と、この直線偏光子による干渉後の
光ビート成分を含む光信号を検出する光検出器とを含む
光学システムを備えると共に、この光学システムによる
上記光信号に基づいて上記試料の複屈折状態に関する情
報を取得するデータ取得システムを備えた構成となって
いる。

【００３２】この構成で、上記光学システムは、上記レ
ーザ光の２つの周波数成分の夫々の振幅が互いに等しく
なるように上記光源を形成し、その光源によるレーザ光
が上記試料を介して入射される上記直線偏光子を当該レ
ーザ光の光軸を中心として所定の周期で回転させる駆動
手段を備えている。

【００３３】上記データ取得システムは、上記駆動手段
が当該直線偏光子を回転させている間における上記光検
出器が検出する光信号から上記光ビート成分に関する交
流成分の正弦波成分及び余弦波成分と直流成分とを抽出
する信号抽出手段と、この信号抽出手段により抽出され
た正弦波成分、余弦波成分及び直流成分に基づいて上記
試料の少なくとも直線複屈折に関する複屈折位相差及び
複屈折主軸方位と円複屈折に関する旋光角とを同時に演
算するデータ演算手段とを備えている。

【００３４】請求項１３記載の発明では、前記信号抽出
手段は、前記光検出器が検出した光信号から前記交流成
分の正弦波成分及び余弦波成分を抽出するロックインア
ンプと、当該光信号から前記直流成分を抽出するローパ
スフィルタとを備えている。

【００３５】請求項１４記載の発明では、前記データ演
算手段は、前記直流成分をＩ_DCとし、前記余弦波成分中
の前記直線偏光子の１回転に対して２周期で変化する２
周期成分の振幅をＡ_C0とし、前記正弦波成分中の上記直
線偏光子の１回転に対して２周期で変化する２周期成分
の振幅をＡ_S0とし、その初期位相をФ_S0とし、前記試料
の複屈折位相差をΔとし、複屈折主軸方位をφとし、旋
光角をψとしたとき、この複屈折位相差Δ、複屈折主軸
方位φ及び旋光角ψを、

【数１０】の計算式で演算する手段である。

【００３６】請求項１５記載の発明に係る複屈折測定装
置は、２つの互いに異なる周波数成分を有し且つその２
つの周波数成分が互いに直交する直線偏光となるレーザ
光を発振する光源と、この光源によるレーザ光の２つの
周波数成分を測定対象の試料を介して光学的に相互に干
渉させる直線偏光子と、この直線偏光子による干渉後の
光ビート成分を含む光信号を検出する光検出器とを含む
光学システムを備えると共に、この光学システムによる
上記光信号に基づいて上記試料の複屈折状態に関する情
報を取得するデータ取得システムとを備えた構成となっ
ている。

【００３７】この構成で、上記光学システムは、上記複
屈折状態の内の複屈折位相差Δ［ｒａｄ］が１よりも小
さい値（Δ＜＜１）を有する試料を介して上記レーザ光
が入射される上記直線偏光子を上記レーザ光の光軸を中
心として所定の周期で回転させる駆動手段を備えてい
る。

【００３８】上記データ取得システムは、上記駆動手段
が当該直線偏光子を回転させている間における上記光検
出器が検出する光信号から上記光ビート成分に関する交
流信号の正弦波成分及び余弦波成分を抽出する信号抽出
手段と、この信号抽出手段により抽出された正弦波成分
及び余弦波成分に基づいて上記試料の少なくとも直線複
屈折に関する複屈折位相差及び複屈折主軸方位と円複屈
折に関する旋光角とを同時に演算するデータ演算手段と
を備えている。

【００３９】請求項１６記載の発明では、前記データ演
算手段は、前記余弦波成分中の前記直線偏光子の１回転
に対して２周期で変化する２周期成分の振幅をＡ_C0と
し、その初期位相をФ_C0とし、前記正弦波成分中の前記
直線偏光子の１回転に対して２周期で変化する２周期成
分の振幅をＡ_S0とし、その初期位相をФ_S0とし、前記試
料の複屈折位相差をΔとし、複屈折主軸方位をφとし、
旋光角をψとしたとき、この複屈折位相差Δ、複屈折主
軸方位φ及び旋光角ψを、

【数１１】の計算式で演算する手段である。

【００４０】請求項１７記載の発明に係る複屈折測定装
置は、２つの互いに異なる周波数成分を有し且つその２
つの周波数成分が互いに直交する直線偏光となるレーザ
光を発振する光源と、この光源によるレーザ光の２つの
周波数成分を測定対象の試料を介して光学的に相互に干
渉させる直線偏光子と、この直線偏光子による干渉後の
光ビート成分を含む光信号を検出する光検出器とを含む
光学システムを備えると共に、この光学システムによる
上記光信号に基づいて上記試料の複屈折に関する情報を
取得するデータ取得システムを備えた構成となってい
る。

【００４１】この構成で、上記光学システムは、上記試
料に入射される前の上記レーザ光の２つの周波数成分の
夫々における偏光面の方位を当該レーザ光の光軸を中心
として定めた基準方位に対して所定の角度に旋光させる
旋光手段と、この旋光手段で定めた上記基準方位と上記
直線偏光子とを互いに所定の周期で同期させながら、前
記光軸を中心に回転させる回転手段とを備えている。

【００４２】上記データ取得システムは、上記回転手段
が上記旋光手段で定めた基準方位と上記直線偏光子とを
回転させている間における上記光検出器が検出する光信
号から上記光ビート成分に関する交流成分の正弦波成分
及び余弦波成分を抽出する信号抽出手段と、この信号抽
出手段により抽出された正弦波成分及び余弦波成分に基
づいて上記試料の少なくとも直線複屈折に関する複屈折
位相差及び複屈折主軸方位と円複屈折に関する旋光角と
を同時に演算するデータ演算手段とを備えている。

【００４３】請求項１８記載の発明では、前記データ演
算手段は、前記直線偏光子の１回転に対して前記２つの
周期で定まる前記余弦波成分中の２つの互いに異なる周
波数成分と前記正弦波成分とに基づいて前記試料の複屈
折位相差、複屈折主軸方位、及び旋光角を演算する手段
である。

【００４４】請求項１９記載の発明では、前記旋光手段
は、前記光源から入射されたレーザ光の２つの周波数成
分の夫々における偏光状態の位相を１８０度変換させる
半波長板を備え、前記回転手段は、当該半波長板と前記
直線偏光子とを互いに所定の周期で同期させながら、前
記光軸を中心に回転させる手段である。

【００４５】請求項２０記載の発明では、前記回転手段
は、前記直線偏光子と前記半波長板とを互いに同じ周期
で同期させながら、前記光軸を中心に回転させる手段で
ある。

【００４６】請求項２１記載の発明では、前記データ演
算手段は、前記正弦波成分中の前記直線偏光子の回転に
対する変化曲線の振幅及びその初期位相をＡ_S0及びΦ_S0
とし、前記余弦波成分中の前記直線偏光子の１回転に対
して６周期で変化する６周期成分中の余弦成分及び正弦
成分をＡＣ_6C及びＡＣ_6Sとし、上記余弦波成分中の前記
直線偏光子の１回転に対して２周期で変化する２周期成
分中の余弦成分及び正弦成分をＡＣ_2C及びＡＣ_2Sとし、
前記試料の複屈折位相差をΔとし、複屈折主軸方位をφ
とし、旋光角をψとしたとき、この複屈折位相差Δ、複
屈折主軸方位φ及び旋光角ψを、

【数１２】の計算式で演算する手段である。

【００４７】請求項２２記載の発明では、前記旋光手段
は、前記光源から入射されたレーザ光の２つの周波数成
分の夫々における偏光面の方位を前記光軸を中心とした
基準方位に対して４５度に旋光させる旋光子を備え、前
記回転手段は、当該旋光子の基準方位と前記直線偏光子
とを互いに所定の周期で同期させながら、前記光軸を中
心に回転させる手段である。

【００４８】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、この発明の第１実施形態を図１
及び図２に基づき説明する。

【００４９】図１に示す複屈折測定装置は、光ヘテロダ
イン法を適用したもので、光ビート成分を担う光信号を
検出するための光学システムＯＳと、この光学システム
ＯＳにより検出された光信号に基づいて測定対象の直線
複屈折（複屈折位相差及びその主軸方位）及び円複屈折
（旋光角）に関する情報を同時に取得するためのデータ
取得システムＤＳとを備えている。

【００５０】光学システムＯＳは、共通光路上に光源
１、半波長板２（本発明の旋光手段の要部を成す）、試
料３、直線偏光子４（本発明の駆動手段の要部を成
す）、光検出器５を備えると共に、半波長板２及び直線
偏光子４の回転制御用のコントローラ６を装備する。

【００５１】光源１は、２つの異なる周波数成分（ｆ
１、ｆ２（例えば、ｆ１＞ｆ２））を有し且つその２つ
の周波数成分が互いに直交する２周波直交直線偏光Ｌを
生成する、例えば周波数安定化横ゼーマンレーザ（「St
abilized Transverse ZeemanLaser」、以下、「ＳＴＺ
Ｌ」と呼ぶ）から成る。この光源（ＳＴＺＬ）１から発
振される２つの周波数成分の差周波ω（ω＝ｆ１−ｆ
２）、即ち光ビート周波数成分を持つ直交直線偏光Ｌ
は、半波長板２に向けて発振される。また、光源用コン
トローラ１ａは、上記差周波信号を検出し、これを用い
て光源１の周波数を安定化させる。さらに、光源用コン
トローラ１ａは、その差周波信号をデータ取得システム
ＤＳに供給し、これを参照信号ＲＳとして利用させるよ
うになっている。

【００５２】半波長板２は、２周波直交直線偏光Ｌの２
つの周波数成分の夫々における偏光状態の位相を１８０
度変換するもので、光軸方向に直交する面内の光軸を中
心として予め設定された基準方位（例えば、２周波直交
直線偏光Ｌの夫々の偏光面の内の一方）に対してその主
軸（進相軸）方位が０度及び２２．５度に段階的に回転
可能となっている。

【００５３】この半波長板２の外周部には、旋光用回転
機構２ａが配設され、その回転機構２ａがステッピング
モータ等の回転駆動源から成る旋光用のドライバ２ｂの
回転軸等の動力伝達体に機械的に接続されている。この
ドライバ２ｂがコントローラ６からの駆動信号Ｄ１に基
づいて駆動することにより、その駆動力を受けた回転機
構２ａが半波長板２を上述の０度及び２２．５度の位置
となるように回転させる。これにより、２周波直交直線
偏光Ｌの夫々の偏光面の方位が基準方位に対して０度又
は４５度に旋光（旋回）された２周波偏光Ｌ１として試
料３に向けて出射される。

【００５４】試料３は、図示しない搭載デバイス内にセ
ットされる。この搭載デバイスは、例えばＸＹステージ
から成り、試料Ｓａの測定位置を光軸方向に直交する２
次元面内の互いに直交する２方向（図１中のｘ方向及び
ｙ方向参照）の夫々に沿って自動又は手動で可変設定で
きるようになっている。ここで、半波長板２からの２周
波偏光Ｌ１が試料５を透過する場合を考えると、その２
周波偏光Ｌ１の２つの周波数成分の夫々は、試料３が有
する２つの主軸間の屈折率差に起因して生じる位相ずれ
により楕円偏光化し、さらに円複屈折により旋光する。
従って、この楕円偏光化した２周波偏光Ｌ２は、試料３
の持つ複屈折位相差、主軸方位及び旋光角の情報を反映
した光信号として次段の直線偏光子４に出射される。

【００５５】直線偏光子４は、２周波偏光Ｌ２の２つの
周波数成分を光軸に直交する面内で回転可能に可変設定
される偏光透過軸を介して相互に干渉させて光ビート成
分を生成するようになっている。この光ビート成分は、
２つの周波数成分の差の周波数ωで振動する「うなり成
分」であると共に、試料Ｓａの複屈折位相差、主軸方位
及び旋光角に関する位相ずれ及び振幅変化を含む光信号
となっている。

【００５６】この直線偏光子４の外周部には、直線偏光
子用の回転機構４ａが配設され、その回転機構４ａがス
テッピングモータ等の回転駆動源を成す直線偏光子用の
ドライバ４ｂの回転軸等の動力伝達体に機械的に接続さ
れている。このドライバ４がコントローラ６からの駆動
信号Ｄ２に基づいて駆動することにより、その駆動力を
受けた回転機構４ａが直線偏光子４を光軸を中心として
時計回り又は反時計回りに回転させる。これにより、２
周波偏光Ｌ２の２つの周波数成分は、干渉により生じた
光ビート成分に試料Ｓａの複屈折位相差、主軸方位及び
旋光角に関する情報を含む干渉光Ｌ３の光信号として次
段の光検出器５に出射される。

【００５７】光検出器５は、フォトダイオード等のフォ
トディテクタから成り、直線偏光子７からの干渉光Ｌ３
の光信号を検出し、その光信号の光強度に相当するビー
ト信号を含む検出信号（「光電流信号」又は「光強度信
号」とも呼ぶ）Ｓ０をプリアンプ（図示しない）等を介
してデータ取得システムＤＳにリアルタイムに出力す
る。

【００５８】コントローラ６は、データ取得システムＤ
Ｓからの制御信号ＣＳを受けたとき、旋光用ドライバ２
ｂ及び直線偏光子用ドライバ４ｂの夫々に駆動信号Ｄ
１、Ｄ２を供給する。ここで、コントローラ６は、２段
階における第１段階用の駆動信号Ｄ１、Ｄ２を両ドライ
バ２ｂ及び４ｂに個別に与えることにより、半波長板２
の主軸方位が０度のときに直線偏光子４を１回転させる
と共に、同第２段階用の駆動信号Ｄ１、Ｄ２を両ドライ
バ２ｂ及び４ｂに個別に与えることにより、半波長板２
の主軸方位を０度から２２．５度に切り換えた状態で直
線偏光子４を１回転させるように設定されている。

【００５９】データ取得システムＤＳは、光源用コント
ローラ１ａからの差周波ωの参照信号ＲＳを受けて、検
出信号Ｓ０から光ビート成分に関する交流成分における
正弦波信号及び余弦波信号を抽出するロックインアンプ
（本発明の抽出手段の要部を成す）１０と、両信号をデ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１１と、デジタル信
号に変換された両信号から試料３の複屈折位相差、主軸
方位及び旋光角を演算する演算装置（本発明の演算手段
の要部を成す）１２と、この演算装置１２による演算結
果を出力する、モニタ、プリンタ等の出力デバイス１３
とを備えている。

【００６０】この内、ロックインアンプ１０は、光源用
コントローラ１ａからの参照信号ＲＳと光検出器５から
の検出信号Ｓ０とを受けて、その検出信号Ｓ０から参照
信号ＲＳと同じ周波数の交流成分の正弦波信号と余弦波
信号を取り出し、その両信号をＡ／Ｄ変換器１１を介し
て演算装置１４に出力する。

【００６１】演算装置１２は、例えば演算器（ＣＰＵ
等）を要部とするコンピュータ（図示しない）を搭載し
て成り、コントローラ６に制御信号ＣＳを与えると共
に、予め設定された演算アルゴリズム（後述）を実行す
ることにより、デジタル信号に変換された両信号から試
料３の複屈折位相差、主軸方位及び旋光角を同時に且つ
個別に演算するようになっている。

【００６２】ここで、この発明に係る複屈折測定原理を
説明する。まず、本実施形態に係る複屈折測定装置にお
いて、光検出器５で得られる検出信号Ｓ０の信号特性を
求めるため、ストークスパラメータとミューラー行列と
による偏光の計算（例えば、応用物理学会・光学懇話会
編「結晶光学第５章」森北出版）を行った。

【００６３】ストークスパラメータ（以下、単に「パラ
メータ」と呼ぶ）は、光の２方向（ｘ方向及びｙ方向）
の電界成分Ｅｘ、Ｅｙに基づいた４つの成分を１組とし
て光の偏光状態を記述するもので、一般に、２方向の電
界成分Ｅｘ及びＥｙの夫々の振幅、周波数、位相、及び
位相差から、パラメータの４つの成分、即ち光強度
Ｓ₀、水平垂直直線偏光成分Ｓ₁、４５度直線偏光成分
Ｓ₂、及び左右円偏光成分Ｓ₃が表現される。このパラ
メータの４つの成分Ｓ₀〜Ｓ₃は、理論値としてだけで
なく実測値として実験的にも確認できるものである。

【００６４】ミューラー行列（以下、単に「行列」と呼
ぶ）は、各種の偏光素子（半波長板等）を入射偏光から
出射偏光への偏光状態の変換を行う素子、即ちストーク
スパラメータを変換させる素子と考えたときの、偏光素
子の偏光特性及びその光学配置で定まる［４×４］の行
列に相当する。

【００６５】そこで、この実施形態の光学システムＯＰ
において、最終的に得られるパラメータをＳ′とし、光
源（ＳＴＺＬ）１のパラメータをＺＬとし、方位ξの半
波長板２の行列をＨＷ_ξとし、試料３を複屈折位相差Δ
及び主軸方位φの直線位相子と方位ψの旋光子との複合
素子であると考えたときの直線位相子及び旋光子の夫々
の行列をＲ_Δ、φ及びＴ_ψとし、方位θ＋４５の直線偏
光子４の行列をＬＰ_θ＋45としたとき、パラメータＳ′
の４つの成分は、

【数１３】の行列式で計算できる。この［数１３］式において、光
軸に直交する面内の予め任意に設定されたｘｙ直交座標
上における、光源（ＳＴＺＬ）１の２つの周波数成分の
振幅をａ_x、ａ_yとし、周波数差をωとしたとき、光源
１のパラメータＺＬは、

【数１４】の式に相当する。また、直線偏光子４の行列ＬＰ_θ＋45
及び半波長板２の行列ＨＷ_ξの夫々は、

【数１５】の式に相当する。さらに、直線位相子及び旋光子の複合
素子とみなした試料３の両行列Ｒ_Δ、φ及びＴ_ψの夫々
は、

【数１６】の式に相当する。

【００６６】従って、［数１４］式〜［数１６］式を
［数１３］式に代入して順次、行列計算（途中の計算式
省略）を行うと、パラメータＳ′の４つの成分の内の最
終的に光検出器５で検出されるビート信号としての光強
度成分Ｓ₀は、

【数１７】の式で求まることが理論的に確認された。

【００６７】この［数１７］式の第１項及び第２項は直
流成分であり、同第３項及び第４項は交流成分の余弦成
分及び正弦成分である。即ち、その余弦成分及び正弦成
分がロックインアンプ１０で取り出される正弦波信号及
び余弦波信号に相当する。

【００６８】そこで、両信号に基づいて演算装置１２が
実行する演算アルゴリズムの設定例を半波長板２の方位
ξが０度のとき（第１段階）と、２２．５度のとき（第
２段階）との２段階に分けて説明する。

【００６９】まず、２段階における第１段階、即ち半波
長板２の方位ξが０度（ξ＝０）のとき、ロックインア
ンプ１０から出力される余弦成分信号ＩＣ₀及び正弦成
分信号ＩＳの夫々は、上記［数１７］式中の第３項及び
第４項から、

【数１８】の式で表現される。この［数１８］式は、直線偏光子４
の１回転に対して２周期で正弦波状に変化する余弦成分
信号ＩＣ₀及び正弦成分信号ＩＳが存在することを意味
する。

【００７０】図２は、直線偏光子４の１回転に対する両
信号ＩＣ₀及びＩＳの実測例を示すもので、同図の如
く、直線偏光子４を１回転させたときに両信号ＩＣ₀及
びＩＳの夫々が２周期で正弦波状に変化していることが
実験的に確認された（以下、θの１回転に対してｎ周期
（本実施形態ではｎ＝２）で正弦波状に変化する成分を
便宜上、「ｎ周期成分」とよぶ）。

【００７１】つまり、直線偏光子４を１回転させながら
ロックインアンプ１０で余弦成分信号ＩＣ₀及び正弦成
分信号ＩＳを抽出し、この両信号ＩＣ₀及びＩＳの２周
期変化量に相当する２周期成分をフーリエ解析等の波形
解析法により求めると、余弦成分信号ＩＣ₀に含まれる
余弦成分の振幅ＡＣ_C0及び正弦成分の振幅ＡＣ_S0の夫々
は、

【数１９】の式で表現される。また、正弦成分信号ＩＳのθに対す
る変化曲線における振幅をＡＳ₀とし、その初期位相を
ΦＳ₀としたとき、正弦成分信号ＩＳの振幅ＡＳ₀及び
初期位相ΦＳ₀の夫々は、

【数２０】の式で表現される。

【００７２】また、２段階における第２段階、即ち半波
長板２の方位ξが２２・５度（ξ＝２２．５）のとき、
ロックインアンプ１０から出力される余弦成分信号ＩＣ
_π／ ₈は、［数１７］式中の第３項及び第４項から、

【数２１】の式で表現される（正弦波信号ＩＳは、［数１８］式と
同形のため省略）。

【００７３】従って、上記と同様に、余弦成分信号ＩＣ
_π／8に含まれる２周期成分における余弦成分の振幅Ａ
Ｃ_C1及び正弦成分の振幅ＡＣ_S1の夫々は、

【数２２】の式で表現される。

【００７４】以上の［数１９］式、［数２０］式及び
［数２２］式で求まる、第１段階における振幅ＡＣ_C0、
ＡＣ_S0、ＡＳ₀、及び初期位相ΦＳ₀と、第２段階にお
ける振幅ＡＣ_C1及びＡＣ_S1とから、試料３の複屈折位相
差Δは、

【数２３】の式で演算でき、かつ、主軸方位φ及び旋光角ψの夫々
は、

【数２４】の式、又は、

【数２５】の計算式で演算できることが確認された。このことは、
検証実験においても確認された。

【００７５】ここで、実施形態に戻り、演算装置１０の
処理を説明すると、演算装置１０は、Ａ／Ｄ変換器１１
からのデジタル信号を取り込むと、予め上記［数２３］
式〜［数２５］式に基づいて設定された演算アルゴリズ
ムを実行することにより、試料３の複屈折位相差Δ、主
軸方位φ及び旋光角ψを同時に且つ個別に演算する。

【００７６】従って、この実施形態によれば、試料の直
線複屈折（複屈折位相差、主軸方位）と円複屈折（旋光
角）とを同時に且つ個別に取得できる。これにより、従
来では実施困難とされていた、液晶ディスプレイに使用
される液晶パネルのセルギャップ（特に、セルに液晶を
封入した後の「セルのたわみ」に起因して変化する液晶
の厚さ）やラビング膜の不均一性に起因する液晶の配向
ムラの様子、或るいは光スイッチ（ポッケルズ・セル
等）の動作時の性能等を容易に且つ直接的に評価でき、
特に液晶、光スイッチ、ファラディー回転素子等の品質
検査、特に量産工程の検査にその効果を最大限に発揮さ
せることができる。

【００７７】また、円複屈折に関するパラメータ（旋光
角）の測定技術が、従来、実施可能な装置としては殆ど
確立されておらず、しかも円複屈折の現象が電磁波
（光）が結晶内を伝搬するときに生じる一般的な物理現
象であることを考え合わせると、本実施形態に係る複屈
折測定装置にあっては、結晶一般の円複屈折を含む複屈
折の物理現象における知見を格段に拡大でき、これに関
する光関連分野上の効果も最大限に発揮させることがで
きる。

【００７８】さらに、この実施形態では、試料を２次元
方向に移動可能な搭載デバイス、例えばＸＹステージ
（図示しない）に載置する構成としたため、このステー
ジを手動又は自動で操作することにより、試料の直線複
屈折と円複屈折の２次元分布を容易に測定でき、従来技
術では把握できなかった試料の直線複屈折及び円複屈折
を点だけでなく面的に広がりをもった情報として取得で
きる。

【００７９】なお、この実施形態では、旋光手段として
半波長板２を主とする構成を用いたが、本発明は必ずし
もこれに限定されない。要するに、光源１からの２周波
直交直線偏光Ｌの夫々の偏光方位を光軸を中心に４５度
回転させる構成であればよく、例えば、ファラデー回転
素子等の旋光子を用いてもよく、また、光源そのものを
４５度回転させてもよい。さらに、試料及び直線偏光子
の両方を４５度回転させてもかまわないし、またさら
に、試料だけを４５度回転させて、後述の［数４１］式
に示すように、計算処理で補正を行ってもよい。つま
り、試料に対して入射させる２周波直交直線偏光Ｌの偏
光方位を相対的に４５度回転させる構成であればよい。

【００８０】（第２実施形態）次に、この発明の第２実
施形態を図３及び図４に基づき説明する。この実施形態
は、光源からの２つの周波数成分の強度に関する制約条
件を前提とし、その制約条件を満足する光源を用いて適
用したものである。ここで、第１実施形態の構成と同一
又は同等の構成については、同一符号を付して、その説
明を簡略又は省略する。

【００８１】図３に示す複屈折測定装置は、第１実施形
態に比べると、旋光手段（半波長板２、回転機構２ａ及
びドライバ２ｂ）が省略され、光検出器５の出力側にロ
ーパスフィルタ３０が介挿されている。その他の構成
は、第１実施形態の構成と同一又は同等である。ここ
で、ローパスフィルタ３０は、光検出器５による検出信
号Ｓ０から直流成分のみを取り出し、その直流成分をＡ
／Ｄ変換器１１を介して演算装置１２に出力する。ま
た、コントローラ６は、データ取得システムＤＳからの
制御信号ＣＳを受けて、直線偏光子用のドライバ４ｂに
駆動信号Ｄ２を与えることにより、直線偏光子４を１回
転させるようになっている。

【００８２】ここで、第１実施形態と同様に、ミューラ
ー行列を用いたストークスパラメータを図３に示す光学
システムの構成およびその光学配置に基づいて計算する
と、パラメータＳ′の４つの成分は、

【数２６】の行列式で計算できる。また、光源１の２つの周波数成
分の振幅ａ_x及びａ_yの条件は、

【数２７】となる条件に予め設定したため、この［数２７］式を
［数２６］式に代入して順次、行列計算（途中の計算式
省略）を行うと、パラメータＳ′の内の最終的に得られ
る光強度信号Ｓ₀は、

【数２８】の式で求まることが理論的に確認された。ここで、［数
２８］式中の第１項は光検出器５で得られる直流成分で
あり、同第２項及び第３項は交流成分の内の余弦成分及
び正弦成分である。この直流成分は、ローパスフィルタ
３０で取り出される直流信号Ｉ_DCに相当し、余弦成分及
び正弦成分は、ロックインアンプ１０から出力される余
弦波信号Ｉ_Cos及び正弦波信号Ｉ_Sinに相当する。

【００８３】従って、直流信号Ｉ_DC、余弦波信号
Ｉ_Cos、正弦波信号Ｉ_Sinの夫々は、

【数２９】の式で表現される。この［数２９］式中の余弦波信号Ｉ
_Cos及び正弦波信号Ｉ_Si _nの夫々は、第１実施形態と同
様に、直線偏光子４の１回転に対して２周期２θで余弦
状に変化する波と考えることができる。

【００８４】そこで、余弦波信号Ｉ_Cosのθの１回転に
対する２周期成分の振幅及び初期位相をＡ_CO及びΦ_COと
し、正弦波信号Ｉ_Sinのθの１回転に対する２周期成分
の振幅及び初期位相をＡ_SO及びΦ_SOとしたとき、［数２
９］式における両信号Ｉ_Cos及びＩ_Sinの夫々は、

【数３０】の簡略式で表現できる。この［数３０］式中の振幅
Ａ_CO、初期位相Φ_CO、振幅Ａ_SO、及び初期位相Φ_SOの夫
々は、

【数３１】の式に相当する。この［数３１］式中の振幅Ａ_CO、初期
位相Φ_CO、振幅Ａ_SO、及び初期位相Φ_SOの夫々は、直線
偏光子４が１回転している間、ロックインアンプ１０で
余弦波信号Ｉ_Cos及び正弦波信号Ｉ_Sinの夫々を抽出
し、その両信号Ｉ_Co _s及びＩ_Sinからフーリエ解析等の
波形解析法により求めることができる。この振幅Ａ_CO、
初期位相Φ_CO、振幅Ａ_SO、及び初期位相Φ_SOの関係を図
４に示す。

【００８５】上記のように求めた直流信号Ｉ_DC、振幅Ａ
_CO、振幅Ａ_SO、及び初期位相Φ_SOから、試料３の複屈折
位相差Δ、主軸方位φ及び旋光角ψの夫々は、

【数３２】の計算式で演算できることが確認された。このことは、
実証実験においても確認された。

【００８６】従って、この実施形態によれば、第１実施
形態と同等の効果に加え、特に旋光手段が必要でない
分、装置全体をより簡素に構築できると共に、１段階の
測定で済む分、測定時間をより短縮できる利点がある。

【００８７】なお、上記［数２７］式で示した光源１に
関する設定条件は、一般に光源作成時に調整されるか、
又は、部分偏光子等を用いて比較的容易に調整されるよ
うになっている。

【００８８】（第３実施形態）次に、この発明の第３実
施形態を図５に基づき説明する。この実施形態は、試料
の複屈折位相差に関する制約条件を前提とし、その制約
条件を満たす所定の試料を対象として適用したものであ
る。ここで、上記実施形態の構成と同一又は同等の構成
については、同一符号を付して、その説明を簡略又は省
略する。

【００８９】図５に示す複屈折測定装置は、第１実施形
態に比べると、旋光手段（半波長板２、回転機構２ａ、
及びドライバ２ｂ）が省略されている。また、試料３
は、その複屈折位相差Δ［ｒａｄ］が、

【数３３】の条件を満たすものを対象としている。この［数３３］
式で示す条件とは、測定精度上、sin ΔをΔと近似して
も支障がないΔの範囲を意味する。さらに、コントロー
ラ６は、第２実施形態と同様に、データ取得システムＤ
Ｓからの制御信号ＣＳを受けて、直線偏光子用のドライ
バ４ｂに駆動信号Ｄ２を与えることにより、直線偏光子
４を１回転させるようになっている。その他の構成は第
１実施形態の構成と同一又は同等である。

【００９０】ここで、第１実施形態と同様に、ミューラ
ー行列を用いたストークスパラメータを図５に示す光学
システムの構成およびその光学配置に基づいて計算する
と、パラメータＳ′の４つの成分は、

【数３４】の行列式で計算できる。従って、［数３３］式の条件を
考慮に入れて［数３４］式の行列計算を行うと、パラメ
ータＳ′の内の最終的に得られる光強度信号Ｓ₀は、

【数３５】の式で求まることが理論的に確認された。ここで、［数
３５］式中の第１項は光検出器５で得られる直流成分で
あり、同第２項及び第３項は交流成分に含まれる余弦成
分及び正弦成分である。この余弦成分及び正弦成分は、
ロックインアンプ１０で取り出される余弦波信号Ｉ_Cos
及び正弦波信号Ｉ_Sinに相当する。

【００９１】従って、直流成分Ｉ_DC、余弦波信号
Ｉ_Cos、及び正弦波信号Ｉ_Sinは、

【数３６】の式で表現される。この［数３６］式中の余弦波信号Ｉ
_Cos及び正弦波信号Ｉ_Si _nの夫々は、直線偏光子４の１
回転に対して２周期２θで余弦状に変化する波と考える
ことができる。

【００９２】そこで、余弦波信号Ｉ_Cosのθの１回転に
対する２周期成分の振幅をＡ_COとし、その初期位相をΦ
_COとし、正弦波信号Ｉ_Sinのθの１回転に対する２周期
成分の振幅をＡ_SOとし、その初期位相をΦ_SOとしたと
き、余弦成分Ｉ_Cos及び正弦成分Ｉ_Sinの夫々は、

【数３７】の簡略式で表現できる。この［数３７］式中の振幅
Ａ_CO、初期位相Φ_CO、振幅Ａ_SO、及び初期位相Φ_SOの夫
々は、

【数３８】の式に相当する。この［数３８］式中の振幅Ａ_CO、初期
位相Φ_CO、振幅Ａ_SO、及び初期位相Φ_SOの夫々は、直線
偏光子４が１回転している間、ロックインアンプ１０で
余弦波信号Ｉ_Cos及び正弦波信号Ｉ_Sinの夫々を抽出す
ることにより、その余弦波信号Ｉ_Cos及び正弦波信号Ｉ
_Sinからフーリエ解析等の波形解析法により求めること
ができる。

【００９３】上記のように求めた振幅Ａ_CO、初期位相Φ
_CO、振幅Ａ_SO、及び初期位相Φ_SOから、試料３の複屈折
位相差Δ、主軸方位φ及び旋光角ψの夫々は、

【数３９】の計算式で演算できることが確認された。このことは、
実証実験においても確認された。

【００９４】従って、この実施形態によれば、第１実施
形態と同等の効果に加え、特に旋光手段が必要でない
分、装置全体をより簡素に構築できると共に、１段階の
測定で済む分、測定時間をより短縮できる利点がある。

【００９５】なお、上記の第１〜第３実施形態では、基
準方位を例えば２周波直交直線偏光Ｌの夫々の偏光面の
内の一方に設定したが、本発明は必ずしもこれに限定さ
れない。即ち、この基準方位は、光学システムＯＰ全体
で統一されていれば、任意の方位に設定してもよい。

【００９６】また、第１〜第３実施形態では、直線偏光
子４の方位をθ＋４５度、即ち方位の初期設定を基準方
位に対して４５度傾けた値としたが、本発明は必ずしも
この方位の初期設定値に限定されない。例えば、直線偏
光子４の方位の初期設定値を基準方位に対して０度とし
た場合、第３実施形態を例に上げて説明すると、図４に
示す複屈折測定装置の光学配置から、パラメータＳ′の
４つの成分は、

【数４０】の式で計算できる。そこで、上記と同様に、光検出器５
による交流成分に含まれる余弦波信号Ｉ_Cos及び正弦波
信号Ｉ_Sinの夫々は、

【数４１】の式で求めることができる。この［数４１］式を上記
［数３６］式中の余弦波信号Ｉ_Cos及び正弦波信号Ｉ
_Sinと比較すると、２θに対する初期位相がπ／４だけ
異なっている。これは、すなわち直線偏光子４の初期設
定値を意味しており、これを補償することにより初期設
定値を任意に設定することができる。第１及び第２実施
形態についても同様である。

【００９７】さらに、上記の第１〜第３実施形態では、
ロックインアンプ１０に入力される参照信号ＲＳを光源
用コントローラ１ａから取得する構成としたが、本発明
は必ずしもこれに限定されるものではない。

【００９８】例えば、第１実施形態を例に上げて説明す
ると、図６に示す複屈折測定装置においては、光源１に
よる出射光をビームスプリッタ２０で２分割し、その一
方の光路上に直線偏光子２１と光検出器２２を設けてあ
る。従って、この光検出器２２で得られる光電流信号を
参照信号としてロックインアンプ１０に入力させてもよ
い。第２及び第３実施形態についても同様である。

【００９９】また、第１〜第３実施形態では、ロックイ
ンアンプ１０を用いた構成としたが、本発明は必ずしも
これに限定されない。例えば、参照信号と同じ周波数を
有する正弦信号及び余弦信号を生成する信号発生器と、
この信号発生器から出力された基準信号と光検出器５で
得られた光電流信号とをかけ合わせる乗算回路と、この
乗算回路の出力信号から基準信号と同じ周波数をもつ成
分だけを通過させるフィルタ回路とを用いた構成であっ
てもよい。要は、参照信号と同じ周波数の交流信号から
正弦成分及び余弦成分を取り出す構成であればよい。こ
のようにロックインアンプを使用しない構成であれば、
第１〜第３実施形態に示す光源用コントローラ１ａを主
とする構成や、上述の図６に示す構成（ビームスプリッ
タ２０、直線偏光子２１、光検出器２２）を必ずしも用
いなくても参照信号を取得できる。

【０１００】またなお、第１〜第３実施形態では、光源
１にＳＴＺＬを用いたが、本発明はこれに限定されるも
のではない。例えば、光弾性変調素子等の位相変調素子
と直線偏光レーザとを組み合わせた光源でもよく、或い
はＡ／Ｏ変調器を利用したり、半導体レーザのＦＭ特性
を利用した光源でもよい。要するに、光源は２周波直交
直線偏光を生成するものであればよい。

【０１０１】さらに、第１〜第３実施形態では、光学シ
ステムＯＰを試料３の透過光を利用する共通光路上に設
定したが、本発明はこれに限定されない。例えば、光学
システムＯＰを試料３の反射光を利用する共通光路上に
設定してもよい。また、試料３の透過光及び反射光の内
の少なくとも一方を利用する構成であってもよい。

【０１０２】（第４実施形態）次に、この発明の第４実
施形態を図７に基づき説明する。この実施形態は、第２
形態の光源に関する制約条件及び第３実施形態の試料に
関する制約条件のいずれをも前提とせずに、１段階の測
定のみを実施するものである。ここで、上記実施形態の
構成と同一又は同等の構成については、同一符号を付し
て、その説明を簡略又は省略する。

【０１０３】図７に示す複屈折測定装置は、第１実施形
態の光学システムＯＳ及びデータ取得システムＤＳと同
等の構成要素を備え、その要素の内の主にコントローラ
６ａ及び演算装置１２ａの制御及び演算に関する処理を
変更したものである。

【０１０４】コントローラ６ａは、演算装置１２ａから
の制御信号ＣＳを受けたときに半波長板２と直線偏光子
４との同期回転用の駆動信号Ｄ３を生成し、これを両者
のドライバ２ａ及び４ａに個別に供給する。これによ
り、半波長板２と直線偏光子４とが互いに所定の周期で
同期しながら、光軸を中心に回転させられ、この間の試
料３の複屈折状態を反映した光信号が光検出器５にて検
出され、その検出信号（光電流信号）Ｓ０がロックイン
アンプ１０に出力される。

【０１０５】演算装置１２ａは、コントローラ６ａに制
御信号ＣＳを供給して半波長板２と直線偏光子４との回
転動作を後述の原理に基づいて制御すると共に、ロック
インアンプ１０から出力される光電流信号中の交流成分
に基づいて後述の原理に基づく演算アルゴリズムを実行
して試料３の複屈折位相差Δ、主軸方位φ、及び旋光角
ψを演算し、これらデータを出力デバイスに１３に出力
する。

【０１０６】ここで、この発明に係る複屈折測定原理を
説明する。

【０１０７】まず、第１実施形態と同様に、ミューラー
行列を用いたストークスパラメータを図７に示す光学シ
ステムの構成およびその光学配置に基づいて計算する
と、パラメータＳ′の４つの成分は、上記［数１３］式
と同等の式で表現される。この［数１３］式に上記［数
１４］〜［数１６］式と同等の光源１のストークスパラ
メータＺＬと、半波長板２、試料３、及び直線偏光子４
の各ミューラー行列ＨＷ_ξ、Ｔ_ψ・Ｒ_Δ、φ、ＬＰ
_θ＋45とを代入し、順次、行列計算（途中の計算式省
略）を行うことにより、最終的に得られるストークスパ
ラメータの内の光検出器５で検出される成分Ｓ₀′を、

【数４２】の式で求める。この［数４２］式中のＩ_DCは直流成分、
Ｉ_cos及びＩ_sinは交流成分の余弦成分及び正弦成分に
相当する。この実施形態では、直流成分Ｉ_DCを電気的に
電流遮断して取り除き、交流成分のみを使用する。

【０１０８】この交流成分の余弦成分Ｉ_cos及び正弦成
分Ｉ_sinは、

【数４３】の式で表現され、光検出器５で得られる光電流信号Ｓ０
をロックインアンプ１０に入力することで取り出され
る。

【０１０９】ここで、直線偏光子４と半波長板２とを同
期させて回転させている間に光検出器５が検出した光電
流信号Ｓ０からロックインアンプ１０にてＩ_cos及Ｉ
_sinを抽出し、このＩ_cos及Ｉ_sin中の変化量の周期成
分をフーリエ解析等の波形解析法を用いた演算装置１２
の処理で求めることを考える。

【０１１０】まず、上記［数４３］式中のＩ_cosの第１
項Ｉ_C1及び第２項Ｉ_C2を比べると、半波長板２の回転角
ξに対する直線偏光子４の回転角θの符号が互いに異な
っているため、θとξとを同期させて回転させることに
より、Ｉ_C1とＩ_C2とが互いに異なる周波数信号として個
別に抽出できる点に着目した。

【０１１１】いま、Ｉ_C1の周波数成分をｍとし、Ｉ_C2の
周波数成分をｎとすると、ｍ及びｎは、

【数４４】の式で一般化できる。この［数４４］式中のｍ及びｎが
互いに異なる周波数となるようにθとξとの互いの回転
動作における同期のタイミング（回転比）を設定すれ
ば、Ｉ_C1とＩ_C2とを互いに異なる周波数成分として取り
出すことができる。

【０１１２】ここで、上述の設定すべき同期タイミング
としては、ｍ及びｎの少なくとも一方が０となる場合
（θ＝±２ξ）を除く任意の条件であればよい。即ち、
θとξの互いの回転方向に関係なく、直線偏光子４の１
回転に対して半波長板２を１／２回転させる場合を除く
両者の回転を前提とした条件であれば、理論上、Ｉ_C1と
Ｉ_C2とを個別に抽出できる。

【０１１３】そこで、上記の設定条件を満足する最も簡
単な事例として、直線偏光子４の１回転に対して半波長
板２を１回転させる場合、即ちθとξとを１：１の割合
で同期させながら回転させる場合を例に上げて、具体的
に説明する。

【０１１４】この場合に上記［数４３］式で求まるＩ
_cosをＩ_cos′とすると、このＩ_cos′は、

【数４５】の式で求まる。この［数４５］式中の第１項及び第２項
は、フーリエ解析等の波形解析法で個別に抽出可能な互
いに周波数が異なる成分、即ち第１項がθの１回転に対
して６周期で変化する成分（以下、「６周期成分
Ｉ_C(6)」とよぶ）、第２項がθの１回転に対して２周期
で変化する成分（以下、「２周期成分Ｉ_C(2)」とよぶ）
に相当する。

【０１１５】そこで、上記の２周期成分Ｉ_C(2)及び６周
期成分Ｉ_C(6)を、

【数４６】の式に変形してみた場合、２周期成分Ｉ_C(2)中の余弦成
分ＡＣ_2C及び正弦成分ＡＣ_2Sを、

【数４７】の式に、かつ、６周期成分Ｉ_C(6)中の余弦成分ＡＣ_6C及
び正弦成分ＡＣ_6Sを、

【数４８】の式に分けることができる。

【０１１６】また、上述のＩ_sinのθに対する変化曲線
の振幅Ａ_S0及びその初期位相Φ_S0は、上記［数４３］か
ら、

【数４９】の式のようになる。

【０１１７】従って、上記［数４７］〜［数４９］式を
連立して解くことにより、試料３の複屈折位相差Δ、主
軸方位φ、及び旋光角ψは、

【数５０】の式で演算できることが理論上、確認された。このこと
は、実証実験においても確認された。

【０１１８】従って、この実施形態によれば、第２及び
第３実施形態のような制約条件を前提としないで、第１
段階の測定のみで第１実施形態と同様の効果を発揮させ
ることができ、この発明の目的とすべき試料の旋光角を
含めた複屈折状態に関するデータを短時間に計測できる
利点がある。

【０１１９】なお、この実施形態では、半波長板の回転
角ξと直線偏光子の回転角θを１：１の割合で回転させ
る事例を取り上げたが、この発明は勿論、これに限定さ
れるものではなく、上述の設定条件を満足させてＩ_cos
の第１項と第２項とを互いに分離して取り出せるもので
あればよい。例えば、ξとθとを２：１の割合で回転さ
せれば、Ｉ_cosの第１項及び第２項は１０周期成分及び
７周期成分となるため、この両者を分離して取り出すこ
とで、上記と同様の効果を発揮させることができる。

【０１２０】また、この実施形態は、第１実施形態と同
等の構成を基本としてあるが、この発明はこの構成に限
定されるものではなく、上記原理を逸脱しない範囲であ
れば、例えば上記第３実施形態の項の後半部分で既に説
明した各種変形例、応用例等と同等の構成に勿論、適用
できる。例えば、旋光手段としては半波長板のほか、偏
光方位を光軸の回りに回転させる光学素子、例えばファ
ラディー回転素子などの旋光子を適用する構成であって
もよい。

【０１２１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜１１記
載の発明に係る複屈折測定装置は、試料に入射される前
のレーザ光の２つの周波数成分の夫々における偏光面の
方位をレーザ光の光軸を中心として定めた基準方位に対
して２つの互いに異なる角度に切り換えて旋光させ、そ
の２つの周波数成分の夫々が試料を介して入射される直
線偏光子を光軸を中心として所定の周期で回転させるこ
とにより、光検出器が検出した光信号から光ビート成分
に関する交流成分の正弦波成分及び余弦波成分を抽出
し、その正弦波成分及び余弦波成分に基づいて試料の複
屈折位相差、複屈折主軸方位、及び旋光角を取得する構
成としたため、光ヘテロダイン法を適用した比較的に簡
素な構成で、直線複屈折に関する情報（複屈折位相差及
び主軸方位）と円複屈折に関する情報（旋光角）とを同
時に且つ個別に取得できる。これにより、光関連分野に
利用される液晶等の試料に関する品質評価を正確且つ容
易に実施でき、特に従来では困難とされていたＴＮ、Ｓ
ＴＮ液晶パネルのセルの厚さや、光スイッチ等の動作時
の旋光特性等を正確且つ容易に測定できる。

【０１２２】請求項１２〜１４記載の発明に係る複屈折
測定装置は、レーザ光の２つの周波数成分の夫々の振幅
が互いに等しくなるように光源を形成し、その光源によ
るレーザ光が上記試料を介して入射される直線偏光子を
当該レーザ光の光軸を中心として所定の周期で回転させ
ることにより、試料の複屈折位相差、複屈折主軸方位、
及び旋光角を取得する構成としたため、上記と同等の効
果に加え、特に装置構成をより一層、簡素に構築できる
利点がある。

【０１２３】請求項１５及び１６記載の発明に係る複屈
折測定装置は、複屈折状態の内の複屈折位相差Δ［ｒａ
ｄ］が１よりも小さい値（Δ＜＜１）を有する試料を介
してレーザ光が入射される直線偏光子をレーザ光の光軸
を中心として所定の周期で回転させることにより、試料
の複屈折位相差、複屈折主軸方位、及び旋光角を取得す
る構成としたため、上記と同等の効果に加え、特に装置
構成をより一層、簡素に構築できる利点がある。

【０１２４】請求項１７〜２２記載の発明に係る複屈折
測定装置は、試料に入射前のレーザ光の２つの周波数成
分の夫々における偏光面の方位をレーザ光の光軸を中心
として定めた基準方位に対して所定の角度に旋光させ、
その基準方位と直線偏光子とを互いに所定の周期で同期
させながら、光軸を中心に回転させることにより、試料
の複屈折位相差、複屈折主軸方位、及び旋光角を取得す
る構成としたため、上記と同等の効果に加え、特に測定
時間をより一層短縮できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の複屈折測定装置の全体構成を示
す概略ブロック図。

【図２】第１実施形態のロックインアンプの出力信号の
変化を説明する図。

【図３】第２実施形態の複屈折測定装置の全体構成を示
す概略ブロック図。

【図４】第２実施形態のロックインアンプの出力信号の
変化を説明する図。

【図５】第３実施形態の複屈折測定装置の全体構成を示
す概略ブロック図。

【図６】参照信号を取得する変形例に係る複屈折測定装
置の全体構成を示す概略ブロック図。

【図７】第３実施形態の複屈折測定装置の全体構成を示
す概略ブロック図。

【符号の説明】

ＯＳ光学システムＤＳデータ取得システム１光源１ａ光源用コントローラ２半波長板２ａ旋光用回転機構２ｂ旋光用ドライバ３試料４直線偏光子４ａ直線偏光子用回転機構４ｂ直線偏光子用ドライバ５光検出器６、６ａコントローラ１０ロックインアンプ１１Ａ／Ｄ変換器１２，１２ａ演算装置１３出力デバイス２０ビームスプリッタ２１参照信号用直線偏光子２２参照信号用光検出器３０ローパスフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01J 4/00 - 4/04 G01M 11/00 - 11/02 G01N 21/23

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの互いに異なる周波数成分を有し且
つその２つの周波数成分が互いに直交する直線偏光とな
るレーザ光を発振する光源と、この光源によるレーザ光
の２つの周波数成分を測定対象の試料を介して光学的に
相互に干渉させる直線偏光子と、この直線偏光子による
干渉後の光ビート成分を含む光信号を検出する光検出器
とを含む光学システムを備えると共に、この光学システ
ムによる上記光信号に基づいて上記試料の複屈折に関す
る情報を取得するデータ取得システムを備えた複屈折測
定装置であって、上記光学システムは、上記試料に入射される前の上記レ
ーザ光の２つの周波数成分の夫々における偏光面の方位
を当該レーザ光の光軸を中心として定めた基準方位に対
して２つの互いに４５度異なる角度に切り換えて旋光さ
せる旋光手段と、この旋光手段により旋光された当該２
つの周波数成分の夫々が上記試料を介して入射される上
記直線偏光子を上記光軸を中心として所定の周期で回転
させる駆動手段とを備えると共に、上記データ取得システムは、上記駆動手段が当該直線偏
光子を回転させている間における上記光検出器が検出す
る光信号から上記光ビート成分に関する交流成分の正弦
波成分及び余弦波成分を抽出する信号抽出手段と、この
信号抽出手段により抽出された正弦波成分及び余弦波成
分に基づいて上記試料の少なくとも直線複屈折に関する
複屈折位相差及び複屈折主軸方位と円複屈折に関する旋
光角とを同時に演算するデータ演算手段とを備えたこと
を特徴とする複屈折測定装置。
【請求項２】前記光源は、周波数安定化横ゼーマンレ
ーザである請求項１記載の複屈折測定装置。
【請求項３】前記データ取得システムは、前記旋光手
段による前記偏光面の方位の角度切換状態と前記駆動手
段による前記直線偏光子の回転状態とを制御する手段を
備えた請求項１記載の複屈折測定装置。
【請求項４】前記旋光手段は、前記光源から入射され
たレーザ光の２つの周波数成分の夫々における偏光状態
の位相を１８０度変換させる半波長板と、この半波長板
の主軸方位を前記光軸を中心とした基準方位に対して２
つの互いに２２．５度異なる角度に切換可能に回転させ
る回転機構とを備えた請求項１記載の複屈折測定装置。
【請求項５】前記旋光手段は、前記光源から入射され
たレーザ光の２つの周波数成分の夫々における偏光面の
方位を前記光軸を中心とした基準方位に対して４５度に
旋光させる旋光子を含む請求項１記載の複屈折測定装
置。
【請求項６】前記駆動手段は、前記直線偏光子を光軸
を中心として回転させる回転機構を備えた請求項１記載
の複屈折測定装置。
【請求項７】前記信号抽出手段は、前記光検出器が検
出した光信号から前記交流成分の正弦波成分及び余弦波
成分を抽出するロックインアンプを備えた請求項１記載
の複屈折測定装置。
【請求項８】前記旋光手段は、前記２つの互いに４５
度異なる角度として前記基準方位に対して０度及び４５
度を用いた手段である請求項１記載の複屈折測定装置。
【請求項９】前記データ演算手段は、前記偏光面の方
位が前記基準方位に対して０度のときの前記余弦波成分
における前記直線偏光子の１回転に対して２周期で変化
する２周期成分の余弦成分の振幅をＡＣ_C0とし、その２
周期成分の正弦成分の振幅をＡＣ_S0とし、上記偏光面の
方位が基準方位に対して４５度のときの上記２周期成分
の内の余弦成分の振幅をＡＣ_C1とし、その２周期成分の
内の正弦成分の振幅をＡＣ_S1とし、上記偏光面の方位が
０度又は４５度のときの前記正弦波成分における上記２
周期成分の振幅をＡＳ₀とし、その２周期成分の初期位
相をФＳ₀とし、前記試料の複屈折位相差をΔとし、複
屈折主軸方位をφとし、旋光角をψとしたとき、この複
屈折位相差Δを、【数１】の計算式で演算し、かつ、上記複屈折主軸方位φ及び旋
光角ψを、【数２】又は、【数３】の計算式で演算する手段である請求項８記載の複屈折測
定装置。
【請求項１０】前記光学システムは前記試料を搭載す
る搭載デバイスを更に備えた請求項１記載の複屈折測定
装置。
【請求項１１】前記データ取得手段は、前記演算手段
が演算した前記試料の複屈折位相差、複屈折主軸方位及
び旋光角を出力する出力デバイスを更に備えた請求項１
記載の複屈折測定装置。
【請求項１２】２つの互いに異なる周波数成分を有し
且つその２つの周波数成分が互いに直交する直線偏光と
なるレーザ光を発振する光源と、この光源によるレーザ
光の２つの周波数成分を測定対象の試料を介して光学的
に相互に干渉させる直線偏光子と、この直線偏光子によ
る干渉後の光ビート成分を含む光信号を検出する光検出
器とを含む光学システムを備えると共に、この光学シス
テムによる上記光信号に基づいて上記試料の複屈折状態
に関する情報を取得するデータ取得システムを備えた複
屈折測定装置であって、上記光学システムは、上記レーザ光の２つの周波数成分
の夫々の振幅が互いに等しくなるように上記光源を形成
し、その光源によるレーザ光が上記試料を介して入射さ
れる上記直線偏光子を当該レーザ光の光軸を中心として
所定の周期で回転させる駆動手段を備えると共に、上記データ取得システムは、上記駆動手段が当該直線偏
光子を回転させている間における上記光検出器が検出す
る光信号から上記光ビート成分に関する交流成分の正弦
波成分及び余弦波成分と直流成分とを抽出する信号抽出
手段と、この信号抽出手段により抽出された正弦波成
分、余弦波成分及び直流成分に基づいて上記試料の少な
くとも直線複屈折に関する複屈折位相差及び複屈折主軸
方位と円複屈折に関する旋光角とを同時に演算するデー
タ演算手段とを備えたことを特徴とする複屈折測定装
置。
【請求項１３】前記信号抽出手段は、前記光検出器が
検出した光信号から前記交流成分の正弦波成分及び余弦
波成分を抽出するロックインアンプと、当該光信号から
前記直流成分を抽出するローパスフィルタとを備えた請
求項１２記載の複屈折測定装置。
【請求項１４】前記データ演算手段は、前記直流成分
をＩ_DCとし、前記余弦波成分中の前記直線偏光子の１回
転に対して２周期で変化する２周期成分の振幅をＡ_C0と
し、前記正弦波成分中の上記直線偏光子の１回転に対し
て２周期で変化する２周期成分の振幅をＡ_S0とし、その
初期位相をФ_S0とし、前記試料の複屈折位相差をΔと
し、複屈折主軸方位をφとし、旋光角をψとしたとき、
この複屈折位相差Δ、複屈折主軸方位φ、及び旋光角ψ
を、【数４】の計算式で演算する手段である請求項１２記載の複屈折
測定装置。
【請求項１５】２つの互いに異なる周波数成分を有し
且つその２つの周波数成分が互いに直交する直線偏光と
なるレーザ光を発振する光源と、この光源によるレーザ
光の２つの周波数成分を測定対象の試料を介して光学的
に相互に干渉させる直線偏光子と、この直線偏光子によ
る干渉後の光ビート成分を含む光信号を検出する光検出
器とを含む光学システムを備えると共に、この光学シス
テムによる上記光信号に基づいて上記試料の複屈折状態
に関する情報を取得するデータ取得システムとを備えた
複屈折測定装置であって、上記光学システムは、上記複屈折状態の内の複屈折位相
差Δ［ｒａｄ］が１よりも小さい値（Δ＜＜１）を有す
る試料を介して上記レーザ光が入射される上記直線偏光
子を上記レーザ光の光軸を中心として所定の周期で回転
させる駆動手段を備えると共に、上記データ取得システムは、上記駆動手段が当該直線偏
光子を回転させている間における上記光検出器が検出す
る光信号から上記光ビート成分に関する交流信号の正弦
波成分及び余弦波成分を抽出する信号抽出手段と、この
信号抽出手段により抽出された正弦波成分及び余弦波成
分に基づいて上記試料の少なくとも直線複屈折に関する
複屈折位相差及び複屈折主軸方位と円複屈折に関する旋
光角とを同時に演算するデータ演算手段とを備えたこと
を特徴とする複屈折測定装置。
【請求項１６】前記データ演算手段は、前記余弦波成
分中の前記直線偏光子の１回転に対して２周期で変化す
る２周期成分の振幅をＡ_C0とし、その初期位相をФ_C0と
し、前記正弦波成分中の前記直線偏光子の１回転に対し
て２周期で変化する２周期成分の振幅をＡ_S0とし、その
初期位相をФ_S0とし、前記試料の複屈折位相差をΔと
し、複屈折主軸方位をφとし、旋光角をψとしたとき、
この複屈折位相差Δ、複屈折主軸方位φ、及び旋光角ψ
を、【数５】の計算式で演算する手段である請求項１５記載の複屈折
測定装置。
【請求項１７】２つの互いに異なる周波数成分を有し
且つその２つの周波数成分が互いに直交する直線偏光と
なるレーザ光を発振する光源と、この光源によるレーザ
光の２つの周波数成分を測定対象の試料を介して光学的
に相互に干渉させる直線偏光子と、この直線偏光子によ
る干渉後の光ビート成分を含む光信号を検出する光検出
器とを含む光学システムを備えると共に、この光学シス
テムによる上記光信号に基づいて上記試料の複屈折に関
する情報を取得するデータ取得システムを備えた複屈折
測定装置であって、上記光学システムは、上記試料に入射される前の上記レ
ーザ光の２つの周波数成分の夫々における偏光面の方位
を当該レーザ光の光軸を中心として定めた基準方位に対
して所定の角度に旋光させる旋光手段と、この旋光手段
で定めた上記基準方位と上記直線偏光子とを互いに所定
の周期で同期させながら、前記光軸を中心に回転させる
回転手段とを備えると共に、上記データ取得システムは、上記回転手段が上記旋光手
段で定めた基準方位と上記直線偏光子とを回転させてい
る間における上記光検出器が検出する光信号から上記光
ビート成分に関する交流成分の正弦波成分及び余弦波成
分を抽出する信号抽出手段と、この信号抽出手段により
抽出された正弦波成分及び余弦波成分に基づいて上記試
料の少なくとも直線複屈折に関する複屈折位相差及び複
屈折主軸方位と円複屈折に関する旋光角とを同時に演算
するデータ演算手段とを備えたことを特徴とする複屈折
測定装置。
【請求項１８】前記データ演算手段は、前記直線偏光
子の１回転に対して前記２つの周期で定まる前記余弦波
成分中の２つの互いに異なる周波数成分と前記正弦波成
分とに基づいて前記試料の複屈折位相差、複屈折主軸方
位、及び旋光角を演算する手段である請求項１７記載の
複屈折測定装置。
【請求項１９】前記旋光手段は、前記光源から入射さ
れたレーザ光の２つの周波数成分の夫々における偏光状
態の位相を１８０度変換させる半波長板を備え、前記回
転手段は、当該半波長板と前記直線偏光子とを互いに所
定の周期で同期させながら、前記光軸を中心に回転させ
る手段である請求項１７又は１８記載の複屈折測定装
置。
【請求項２０】前記回転手段は、前記直線偏光子と前
記半波長板とを互いに同じ周期で同期させながら、前記
光軸を中心に回転させる手段である請求項１９記載の複
屈折測定装置。
【請求項２１】前記データ演算手段は、前記正弦波成
分中の前記直線偏光子の回転に対する変化曲線の振幅及
びその初期位相をＡ_S0及びΦ_S0とし、前記余弦波成分中
の前記直線偏光子の１回転に対して６周期で変化する６
周期成分中の余弦成分及び正弦成分をＡＣ_6C及びＡＣ_6S
とし、上記余弦波成分中の前記直線偏光子の１回転に対
して２周期で変化する２周期成分中の余弦成分及び正弦
成分をＡＣ_2C及びＡＣ_2Sとし、前記試料の複屈折位相差
をΔとし、複屈折主軸方位をφとし、旋光角をψとした
とき、この複屈折位相差Δ、複屈折主軸方位φ、及び旋
光角ψを、【数６】の計算式で演算する手段である請求項２０記載の複屈折
測定装置。
【請求項２２】前記旋光手段は、前記光源から入射さ
れたレーザ光の２つの周波数成分の夫々における偏光面
の方位を前記光軸を中心とした基準方位に対して４５度
に旋光させる旋光子を備え、前記回転手段は、当該旋光
子の基準方位と前記直線偏光子とを互いに所定の周期で
同期させながら、前記光軸を中心に回転させる手段であ
る請求項１７又は１８記載の複屈折測定装置。