JP2997299B2 - 複屈折測定方法 - Google Patents
複屈折測定方法Info
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- JP2997299B2 JP2997299B2 JP2171000A JP17100090A JP2997299B2 JP 2997299 B2 JP2997299 B2 JP 2997299B2 JP 2171000 A JP2171000 A JP 2171000A JP 17100090 A JP17100090 A JP 17100090A JP 2997299 B2 JP2997299 B2 JP 2997299B2
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Description
【産業上の利用分野】 この発明は、光学部品が持つ分子配向のひずみによる
複屈折情報を測定するための方法に関するものである。
複屈折情報を測定するための方法に関するものである。
プラスチック等の高分子化合物は、一般的に結晶と同
様の異方性を有し、複屈折を生じさせる。 この複屈折を測定するための装置としては、従来例え
ば特開昭63−269045号公報に開示される装置が知られて
いる。 この公報に記載された装置は、直交ニコル態様で配置
された偏光子と検光子との間に復屈折を持つ試料を配置
し、これらを透過する光束の光量を直交ニコルを回転さ
せつつビデオカメラで捉える構成である。測定に当って
は、検出される光強度の最大値と、最大値が出力された
際の回転角度とを求め、試料の複屈折を直交ニコルの回
転角度の関数として求めるものである。
様の異方性を有し、複屈折を生じさせる。 この複屈折を測定するための装置としては、従来例え
ば特開昭63−269045号公報に開示される装置が知られて
いる。 この公報に記載された装置は、直交ニコル態様で配置
された偏光子と検光子との間に復屈折を持つ試料を配置
し、これらを透過する光束の光量を直交ニコルを回転さ
せつつビデオカメラで捉える構成である。測定に当って
は、検出される光強度の最大値と、最大値が出力された
際の回転角度とを求め、試料の複屈折を直交ニコルの回
転角度の関数として求めるものである。
しかしながら、上記従来装置により複屈折の測定を行
うためには、かなり多くのポイントで直交ニコルの回転
角に対する光強度を測定しなければならず、測定に時間
がかかると共に、処理すべきデータが多いために処理の
時間も長くなるという問題がある。 また、測定対象となる試料の表面に汚れ等が存在する
場合、これがノイズとなって正確な測定を行ない難いと
いう問題もある。 更に、従来の装置は試料に直線偏光を入射させている
ため、プラスチック等の直線複屈折結晶では、入射光が
固有偏光に一致した場合には、偏光状態が変化を受けず
に透過してしまい、複屈折の情報を検出し得ない。
うためには、かなり多くのポイントで直交ニコルの回転
角に対する光強度を測定しなければならず、測定に時間
がかかると共に、処理すべきデータが多いために処理の
時間も長くなるという問題がある。 また、測定対象となる試料の表面に汚れ等が存在する
場合、これがノイズとなって正確な測定を行ない難いと
いう問題もある。 更に、従来の装置は試料に直線偏光を入射させている
ため、プラスチック等の直線複屈折結晶では、入射光が
固有偏光に一致した場合には、偏光状態が変化を受けず
に透過してしまい、複屈折の情報を検出し得ない。
この発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであ
り、試料の複屈折の情報を短時間で測定することがで
き、試料の表面に汚れ等のノイズが存在する場合にも、
正確な情報を検出できると共に、試料に対する不感方向
のない複屈折測定方法を提供することを目的とする。
り、試料の複屈折の情報を短時間で測定することがで
き、試料の表面に汚れ等のノイズが存在する場合にも、
正確な情報を検出できると共に、試料に対する不感方向
のない複屈折測定方法を提供することを目的とする。
この発明に係る偏光測定方法は、上記目的を達成させ
るため、試料に対して円偏光を入射させ、試料を射出し
た光束を第１の角度に設定した移相子と検光子とを介し
て受光手段に導き、検光子を回転させつつ受光手段の出
力を測定して光束の偏光状態を判断する第１段階と、移
相子を光軸周りに所定角度回転させて第１の角度とは異
なる角度に設定し、検光子を回転させつつ受光手段の出
力を測定して光束の偏光状態を少なくとも移相子の１つ
の設定角度において判断する第２段階と、第１段階と第
２段階とにおける偏光状態を比較することにより、試料
の複屈折を解析する第３段階とを有することを特徴とす
る。
るため、試料に対して円偏光を入射させ、試料を射出し
た光束を第１の角度に設定した移相子と検光子とを介し
て受光手段に導き、検光子を回転させつつ受光手段の出
力を測定して光束の偏光状態を判断する第１段階と、移
相子を光軸周りに所定角度回転させて第１の角度とは異
なる角度に設定し、検光子を回転させつつ受光手段の出
力を測定して光束の偏光状態を少なくとも移相子の１つ
の設定角度において判断する第２段階と、第１段階と第
２段階とにおける偏光状態を比較することにより、試料
の複屈折を解析する第３段階とを有することを特徴とす
る。
以下、この発明を図面に基づいて説明する。 第１図は、この発明を実施するための装置の一実施例
を示したものである。 この装置は、所定の広がりを持った直線偏光を発する
光源部10と、光源部から発した光束を円偏光に変換する
第１のλ/4板20と、試料30を透過した光束を直線偏光に
近い楕円偏光に変換する移相子としての第２のλ/4板40
と、光路内に回転自在に設けられた検光子50と、検光子
50を透過した光束を受光するCCDセンサ等の二次元のイ
メージセンサ60とを備えている。イメージセンサ60の出
力は、A/D変換されてフレームメモリ61に記憶され、コ
ンピュータ62により解析されて複屈折の情報としてディ
スプレイ63に表示される。 光源部10は、直線偏光を発生するレーザー装置、ある
いは偏光状態がランダムな光束を発する光源と偏光子と
の組み合せた光源11と、この光源から発した光束の径を
拡大するビームエキスパンダー12とにより構成される。 第２のλ/4板40は、コンピュータ62からの指示によ
り、モータ41を介して少なくとも２つの角度に設定でき
るよう光軸回りに回動自在に設けられている。 検光子50は、モータ51により自動的に回転され、回転
角度は角度センサ52によりコンピュータ62に入力され
る。 上記の装置を用いて試料の偏光特性を測定する場合、
第１、第２のλ/4板20,40間に試料30を配置し、試料に
対して円偏光を入射させ、試料を射出した偏光を移相子
40、検光子50を介して受光する。 複屈折を持つ試料に円偏光を入射させると、試料の遅
相軸と進相軸との屈折率の違いによって直交２軸の進行
速度が異ならされることにより、楕円偏光となって射出
される。 この楕円偏光を再びλ/4板等の移相子を透過させるこ
とにより直線偏光に近い楕円偏光とし、検光子を透過さ
せる。検光子を回転させることにより、受光される光量
を正弦的に変化するため、この変化を複数のポイントで
サンプリングすることにより、偏光の状態が測定でき
る。円偏光を入射させた場合には、直線偏光を用いた場
合と違って試料は不感方向を持たず、何れの方向での測
定でも偏光状態の測定が可能である。 なお、測定光が直線偏光に近いほど、受光する素子に
達する光量の変化が大きくなり、測定の精度が向上す
る。そこで、移相子としては、より直線偏光に近い楕円
偏光を作る上で、λ/4板が適当である。 第１段階では、第２のλ/4板40の中性軸を第１のλ/4
板20の中性軸に対して45度に設定する。コンピュータ60
は、角度センサ52の出力から検光子30の回転角度が所定
の値となった時点でイメージセンサの出力をサンプリン
グし、フレームメモリ61に記憶させる。 第２段階では、第２のλ/4板40の中性軸を第１のλ/4
板20の中性軸に対して０度に設定する。そして、第１段
階と同様に少なくとも検光子の回転角度の異なる３箇所
でイメージセンサの出力をサンプリングし、各画素毎に
光束の偏光状態を測定する。 楕円偏光を表現する場合には、第２図に示すように、
光の進行方向に対向した面内での電界ベクトルの先端の
描く楕円の長半径ａ、短半径ｂ、傾きψの３つのパラメ
ータが必要である。 楕円偏光を検光子を介して受光した場合の強度Ｉは、
検光子の回転角度をθとして、（１）式で求めることが
できる。 Ｉ＝α＋β・cos2（θ−ψ） …（１） 但し、 α＝（a2＋b2）/2 β＝（a2−b2）/2 である。 （１）式には、偏光特性を表すα、β、ψの３つの未
知変数が存在するため、少なくとも３つの異なる角度位
置に検光子50を回転させた際の出力強度Ｉを測定するこ
とにより、３つの未知数の値を求めることができる。こ
こでは、計算を簡単にするために、45゜毎に４回の測定
を行うこととする。４回の測定による強度をそれぞれI
0,I45,I90,I135とすると、下式に従って偏光特性を表現
する変数を求める。 強度のみに基づいて偏光特性を測定する場合には、試
料の上に汚れ等があった場合にもこれを強度変化として
捉えてしまうため、信号にノイズが乗ってしまい、正確
な偏光特性の測定が行えないという問題がある。 ノイズの影響を考慮すると、検出される光強度Ｉは、
和のノイズns、積のノイズnmとして、 Ｉ＝α＋ns＋（β＋nm）・cos2（θ−ψ） で表すことができる。このようなノイズがあると、α、
βを正確に求めることができなくなってしまう。但し、
偏光楕円の主軸の傾きψはノイズの影響を受けずに正確
に求めることができる。 ここで、和のノイズとは、光学的には例えば測定光以
外の照明光等の光の受光手段に対する混入により生ずる
ノイズをいい、電気的には例えばテレビ信号のオフセッ
ト調整の不備によって発生するノイズを指す。また、積
のノイズとは、光学的には照明ムラ等によって生じるノ
イズをいい、電気的にはCCDの画素間の感度のバラツキ
等によるノイズを指す。 複屈折を測定するためには、複屈折の軸方向とリター
デーション量とを求める必要がある。 この発明の方法では、上記のψを移相子の設定角度を
変化させて少なくとも２回解析する。コンピュータ62
は、フレームメモリ61に記憶された各画素単位の強度情
報に基づいて第１段階でのψに相当する値ξと、第２段
階でのψに相当する値ηとを求める。 ここで、リターデーションがπ/2より小さいと仮定す
ると、直線偏光に近い偏光のψを測定するのみで以下の
原理に基づいてリタデーションδと軸方向θとを求める
ことができる。 リタデーションδ、軸方向θの複屈折を有する試料に
左円偏光を入射させ、試料を射出した光束を45度に設定
したλ/4板を透過させた場合の出力光X45は、以下のベ
クトルで表すことができる。 この出力光X45の偏光楕円の長軸方向ξは、（２）式
の通りである。 tan2ξ＝tanδcos2θ …（２） また、λ/4板の角度を０度とすると、出力光X0は、以
下のベクトルで示される。 観測系の座標を45度回転させると、出力光X0−45は以
下のベクトルとなる。 このとき検出される楕円偏光の軸方向ηは、（３）式
で表現できる。 tan2η＝tanδsin2θ …（３） δ、θは、（２）式と（３）式とから以下のように求
められる。 上記の演算は、イメージセンサの各画素毎に実行さ
れ、試料の全域の複屈折情報を一度に解析することがで
きる。 解析が終了すると、例えばリタデーションδを明暗の
階調に変換してディスプレイ63に表示し、あるいはドッ
トの大きさに変換してプリントアウトする。これによ
り、試料の複屈折のバラツキを全体として視覚的に捉え
ることができる。 なお、上記の実施例では、イメージセンサを用いて二
次元的に測定を行う例についてのみ述べたが、この発明
の適用範囲はこれに限定されず、細い光束を用いて試料
の一部の複屈折を部分的に測定する場合にも有効であ
る。
を示したものである。 この装置は、所定の広がりを持った直線偏光を発する
光源部10と、光源部から発した光束を円偏光に変換する
第１のλ/4板20と、試料30を透過した光束を直線偏光に
近い楕円偏光に変換する移相子としての第２のλ/4板40
と、光路内に回転自在に設けられた検光子50と、検光子
50を透過した光束を受光するCCDセンサ等の二次元のイ
メージセンサ60とを備えている。イメージセンサ60の出
力は、A/D変換されてフレームメモリ61に記憶され、コ
ンピュータ62により解析されて複屈折の情報としてディ
スプレイ63に表示される。 光源部10は、直線偏光を発生するレーザー装置、ある
いは偏光状態がランダムな光束を発する光源と偏光子と
の組み合せた光源11と、この光源から発した光束の径を
拡大するビームエキスパンダー12とにより構成される。 第２のλ/4板40は、コンピュータ62からの指示によ
り、モータ41を介して少なくとも２つの角度に設定でき
るよう光軸回りに回動自在に設けられている。 検光子50は、モータ51により自動的に回転され、回転
角度は角度センサ52によりコンピュータ62に入力され
る。 上記の装置を用いて試料の偏光特性を測定する場合、
第１、第２のλ/4板20,40間に試料30を配置し、試料に
対して円偏光を入射させ、試料を射出した偏光を移相子
40、検光子50を介して受光する。 複屈折を持つ試料に円偏光を入射させると、試料の遅
相軸と進相軸との屈折率の違いによって直交２軸の進行
速度が異ならされることにより、楕円偏光となって射出
される。 この楕円偏光を再びλ/4板等の移相子を透過させるこ
とにより直線偏光に近い楕円偏光とし、検光子を透過さ
せる。検光子を回転させることにより、受光される光量
を正弦的に変化するため、この変化を複数のポイントで
サンプリングすることにより、偏光の状態が測定でき
る。円偏光を入射させた場合には、直線偏光を用いた場
合と違って試料は不感方向を持たず、何れの方向での測
定でも偏光状態の測定が可能である。 なお、測定光が直線偏光に近いほど、受光する素子に
達する光量の変化が大きくなり、測定の精度が向上す
る。そこで、移相子としては、より直線偏光に近い楕円
偏光を作る上で、λ/4板が適当である。 第１段階では、第２のλ/4板40の中性軸を第１のλ/4
板20の中性軸に対して45度に設定する。コンピュータ60
は、角度センサ52の出力から検光子30の回転角度が所定
の値となった時点でイメージセンサの出力をサンプリン
グし、フレームメモリ61に記憶させる。 第２段階では、第２のλ/4板40の中性軸を第１のλ/4
板20の中性軸に対して０度に設定する。そして、第１段
階と同様に少なくとも検光子の回転角度の異なる３箇所
でイメージセンサの出力をサンプリングし、各画素毎に
光束の偏光状態を測定する。 楕円偏光を表現する場合には、第２図に示すように、
光の進行方向に対向した面内での電界ベクトルの先端の
描く楕円の長半径ａ、短半径ｂ、傾きψの３つのパラメ
ータが必要である。 楕円偏光を検光子を介して受光した場合の強度Ｉは、
検光子の回転角度をθとして、（１）式で求めることが
できる。 Ｉ＝α＋β・cos2（θ−ψ） …（１） 但し、 α＝（a2＋b2）/2 β＝（a2−b2）/2 である。 （１）式には、偏光特性を表すα、β、ψの３つの未
知変数が存在するため、少なくとも３つの異なる角度位
置に検光子50を回転させた際の出力強度Ｉを測定するこ
とにより、３つの未知数の値を求めることができる。こ
こでは、計算を簡単にするために、45゜毎に４回の測定
を行うこととする。４回の測定による強度をそれぞれI
0,I45,I90,I135とすると、下式に従って偏光特性を表現
する変数を求める。 強度のみに基づいて偏光特性を測定する場合には、試
料の上に汚れ等があった場合にもこれを強度変化として
捉えてしまうため、信号にノイズが乗ってしまい、正確
な偏光特性の測定が行えないという問題がある。 ノイズの影響を考慮すると、検出される光強度Ｉは、
和のノイズns、積のノイズnmとして、 Ｉ＝α＋ns＋（β＋nm）・cos2（θ−ψ） で表すことができる。このようなノイズがあると、α、
βを正確に求めることができなくなってしまう。但し、
偏光楕円の主軸の傾きψはノイズの影響を受けずに正確
に求めることができる。 ここで、和のノイズとは、光学的には例えば測定光以
外の照明光等の光の受光手段に対する混入により生ずる
ノイズをいい、電気的には例えばテレビ信号のオフセッ
ト調整の不備によって発生するノイズを指す。また、積
のノイズとは、光学的には照明ムラ等によって生じるノ
イズをいい、電気的にはCCDの画素間の感度のバラツキ
等によるノイズを指す。 複屈折を測定するためには、複屈折の軸方向とリター
デーション量とを求める必要がある。 この発明の方法では、上記のψを移相子の設定角度を
変化させて少なくとも２回解析する。コンピュータ62
は、フレームメモリ61に記憶された各画素単位の強度情
報に基づいて第１段階でのψに相当する値ξと、第２段
階でのψに相当する値ηとを求める。 ここで、リターデーションがπ/2より小さいと仮定す
ると、直線偏光に近い偏光のψを測定するのみで以下の
原理に基づいてリタデーションδと軸方向θとを求める
ことができる。 リタデーションδ、軸方向θの複屈折を有する試料に
左円偏光を入射させ、試料を射出した光束を45度に設定
したλ/4板を透過させた場合の出力光X45は、以下のベ
クトルで表すことができる。 この出力光X45の偏光楕円の長軸方向ξは、（２）式
の通りである。 tan2ξ＝tanδcos2θ …（２） また、λ/4板の角度を０度とすると、出力光X0は、以
下のベクトルで示される。 観測系の座標を45度回転させると、出力光X0−45は以
下のベクトルとなる。 このとき検出される楕円偏光の軸方向ηは、（３）式
で表現できる。 tan2η＝tanδsin2θ …（３） δ、θは、（２）式と（３）式とから以下のように求
められる。 上記の演算は、イメージセンサの各画素毎に実行さ
れ、試料の全域の複屈折情報を一度に解析することがで
きる。 解析が終了すると、例えばリタデーションδを明暗の
階調に変換してディスプレイ63に表示し、あるいはドッ
トの大きさに変換してプリントアウトする。これによ
り、試料の複屈折のバラツキを全体として視覚的に捉え
ることができる。 なお、上記の実施例では、イメージセンサを用いて二
次元的に測定を行う例についてのみ述べたが、この発明
の適用範囲はこれに限定されず、細い光束を用いて試料
の一部の複屈折を部分的に測定する場合にも有効であ
る。
以上説明したように、この発明の複屈折測定方法によ
れば、ノイズの影響を受けずに試料の複屈折情報を正確
に測定することができる。また、試料に対する不感方向
がないため、いずれの方向からも測定を行うことができ
る。
れば、ノイズの影響を受けずに試料の複屈折情報を正確
に測定することができる。また、試料に対する不感方向
がないため、いずれの方向からも測定を行うことができ
る。
第１図はこの発明に係る複屈折測定方法の一実施例を示
す装置の説明図、第２図は偏光楕円を示すグラフであ
る。 10……光源部、20……第１のλ/4板 30……試料、40……第２のλ/4板 50……検光子、60……イメージセンサ 61……フレームメモリ、62……コンピュータ
す装置の説明図、第２図は偏光楕円を示すグラフであ
る。 10……光源部、20……第１のλ/4板 30……試料、40……第２のλ/4板 50……検光子、60……イメージセンサ 61……フレームメモリ、62……コンピュータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 ＪＯＩＳ
Claims (4)
- 【請求項１】試料に対して既知の偏光状態の光束を入射
させ、該試料を射出した光束を第１の角度に設定した移
相子と検光子とを介して受光手段に導き、前記検光子を
回転させつつ受光手段の出力を測定して光束の偏光状態
を判断する第１段階と、 前記移相子を光軸周りに所定角度回転させて前記第１の
角度とは異なる角度に設定し、前記検光子を回転させつ
つ受光手段の出力を測定して光束の偏光状態を少なくと
も前記移相子の１つの回転角度において判断する第２段
階と、 第１段階と第２段階とにおける偏光状態を比較すること
により、前記試料の複屈折を解析する第３段階とを有す
ることを特徴とする複屈折測定方法。 - 【請求項２】前記移相子は、試料を射出した光束を直線
偏光に近い楕円偏光に変換する機能を有することを特徴
とする請求項１に記載の複屈折測定方法。 - 【請求項３】前記第１段階及び第２段階は、それぞれ前
記検光子を少なくとも３つの異なる角度に設定し、各設
定角度での受光手段の出力をサンプリングし、前記検光
子の回転による受光手段の出力変化を正弦的な変化であ
ると仮定し、サンプリングした強度により試料の偏光状
態を判断することを特徴とする請求項１に記載の複屈折
測定方法。 - 【請求項４】前記第２段階は、前記移相子を光軸周りに
所定角度回転させて前記第１の角度とは異なる角度に設
定することを特徴とする請求項１に記載の複屈折測定方
法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2171000A JP2997299B2 (ja) | 1990-06-27 | 1990-06-27 | 複屈折測定方法 |
| US07/721,694 US5257092A (en) | 1990-06-27 | 1991-06-26 | Apparatus for measuring polarization and birefringence |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2171000A JP2997299B2 (ja) | 1990-06-27 | 1990-06-27 | 複屈折測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0458138A JPH0458138A (ja) | 1992-02-25 |
| JP2997299B2 true JP2997299B2 (ja) | 2000-01-11 |
Family
ID=15915254
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2171000A Expired - Fee Related JP2997299B2 (ja) | 1990-06-27 | 1990-06-27 | 複屈折測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2997299B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5835220A (en) * | 1995-10-27 | 1998-11-10 | Nkk Corporation | Method and apparatus for detecting surface flaws |
| JP4677570B2 (ja) * | 2006-02-28 | 2011-04-27 | 国立大学法人東京農工大学 | 計測装置及び計測方法 |
-
1990
- 1990-06-27 JP JP2171000A patent/JP2997299B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0458138A (ja) | 1992-02-25 |
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Legal Events
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