JP3844222B2 - 複屈折測定装置 - Google Patents
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Description
【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、特に偏光測定光学系の偏光素子配置及びその駆動方法を含む装置構成及び偏光解析アルゴリズムの工夫に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、オプトエレクトロニクスの発展に伴い、工学分野においては、射出成形品、光ディスク、薄膜製品、結晶を用いた光学素子、高分子フィルム、及び液晶等の製品に対する需要が急速に増加してきている。従って、これら工学分野では、各製品の品質を定量的に評価するための装置及び手法の１つとして、これらの持つ複屈折を計測する複屈折測定がより一層強く期待されるようになってきている。
【０００３】
一方、高分子材料や結晶の多くは、その内部に存在する光学的な散乱体の影響で、光を入射させた場合に散乱を起こすものが少なくない。一般に、こういった散乱を起こす試料では、その散乱により光の多重反射等の現象が起こり、これが原因で複屈折測定の精度低下をもたらすと言われている。従って、このような被測定試料の場合では、とくに散乱による精度低下を回避するための複屈折測定の手法として、パルス光を用いた計測方法や、自己相関関数を利用した解析方法等の解析アルゴリズムが提案されている。
【０００４】
その一方で、高分子フィルムに代表される様に厚さの薄いものや、高温、強電界、強磁界等の特殊な環境下で使用されるものでは、極力簡便な機器構成の測定装置を使用したいといった要求もある。従って、このような被測定試料の場合の複屈折測定手法としては、複雑な機器構成や特殊な装置によらずに、一般に知られている偏光解析方法等を用いることが期待されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例の複屈折測定では、以下のような問題があった。
【０００６】
まず、一般に知られている偏光解析方法にあっては、例えば回転検光子法や回転位相子法等の手法では、被測定試料の複屈折主軸を測定光学系の偏光軸に対し所定角度にセットしなければならず、また回転偏光子法等の複屈折主軸を同時に測定する手法では、複屈折測定のダイナミックレンジ（測定精度）が正弦関数から得られる「０〜λ／４」（λは測定光の波長）の角度範囲に制限されるといった不都合があった。
【０００７】
また、散乱の大きな試料に対して複屈折測定を試みる場合には、試料と光検出素子との間の距離をできるだけ近接させることがその測定精度を高める為に重要となるが、この距離に関しては、被測定試料と光検出素子との間の偏光素子を何らかの方法で動的に動かしたり、変調したりする手法では、その機構の物理的な大きさによって最短距離が決まってしまうといった制約があった。しかも、ＣＣＤカメラ等を用いて２次元分布測定を行う場合では、そのカメラ直前の素子（光学系）が大きくなってしまうことから、これらの素子を駆動することは、測定安定性を損ない易く、また機械的な大きさが大きくなり、製造コストが高くなるといった問題もあった。
【０００８】
さらに、近年、高分子研究分野や生体研究分野等において、配向制御や分子配向状態を定量的に評価するために複屈折評価を行なわれるようになってきているが、これらの高分子材料は複屈折の大きさがλ／４（測定光の四分の一波長）以上になることもあり、しかも強散乱体であることが少なくない。従って、これら研究分野での複屈折評価においても、上述の複屈折測定上のダイナミックレンジの制約を受けたり、被測定試料及び光検出素子間の偏光素子の光学配置やその駆動方法で決まる測定精度上の制約を受けてしまうことが予想される。
【０００９】
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、複屈折の大きさがλ／４（測定光の四分の一波長）以上を示したり、或いは強散乱体の性質を示したりする高分子材料等の被測定試料であっても、複屈折量及びその複屈折主軸の方位を比較的簡素な構成で測定できる複屈折測定装置を安価に提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る複屈折測定装置は、光信号を発生する光源と、前記光源からの光信号を所定の偏光状態に変化させながら被測定試料に入射させる光源側の偏光素子と、前記被測定試料からの光信号を受け、回転動作を伴わない構成とした受光側の偏光素子と、前記受光側の偏光素子からの光信号を検出する光検出器と、前記光検出器により前記光信号が検出される間、前記光源側の偏光素子の少なくとも一部を駆動することにより前記被測定試料に入射される光信号の偏光状態を制御する制御手段と、前記光検出器により検出された光信号の光強度に基づいて、前記被測定試料の複屈折量をその複屈折主軸の方位と共に正接関数で求まる測定範囲を演算する処理手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明において、複屈折量の正接関数で求まる測定範囲とは、「０〜λ／２（λ：光源の光信号の波長）」のことを言う。この複屈折量を複屈折主軸の方位と共に演算できることから、その実質的な測定範囲の精度が「０〜λ」に向上することになる。
【００１２】
本発明の好適な例として、前記受光側の偏光素子は、前記被測定試料からの光信号を受ける四分の一波長板と、この四分の一波長板からの光信号を受けて前記光検出器側に出射する直線偏光子とを備え、前記四分の一波長板の進相軸及び前記直線偏光子の偏光透過軸は、それぞれ所定方位の位置に固定されていることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の１つの側面として、前記光源側の偏光素子は、前記光源からの光信号を受ける直線偏光子と、この直線偏光子からの光信号を受けて前記被測定試料側に出射する四分の一波長板とを有し、前記制御手段は、前記直線偏光子及び四分の一波長板を互いに所定の回転比を保ちつつ光軸回りに回転させる駆動手段を備えることが可能である。
【００１４】
この側面では、前記処理手段は、前記光源側偏光素子の直線偏光子及び四分の一波長板の回転比を１対２としたときの当該直線偏光子の偏光透過軸及び四分の一波長板の進相軸の各方位をそれぞれθ及び２θとし、前記被測定試料の複屈折量及びその複屈折主軸の方位をそれぞれΔ及びφとし、前記光源で生成される光信号の光強度をａとし、前記光検出器により検出される光信号の光強度の内の前記直線偏光子の１回転θに対しｎ（ｎ＝２、６）倍周期で変化する正弦波成分及び余弦波成分の各振幅をそれぞれＳ（ｎ）及びＣ（ｎ）としたとき、前記被測定試料の複屈折量Δ及びその複屈折主軸の方位φを、
【数４】
の算出式から求める演算手段を備えることが可能である。
【００１５】
本発明の別の側面では、前記光源側の偏光素子は、前記光源からの光信号を受ける直線偏光子と、この直線偏光子からの光信号を受けて前記被測定試料側に出射する２つの四分の一波長板とを有し、前記制御手段は、前記２つの四分の一波長板を互いに所定の回転比を保ちつつ光軸回りに回転させる手段を備えることが可能である。
【００１６】
この側面では、前記処理手段は、前記２つの四分の一波長板の回転比を１対２としたときの当該２つの四分の一波長板の進相軸の方位をそれぞれθ及び２θとし、前記被測定試料の複屈折量及びその複屈折主軸の方位をそれぞれΔ及びφとし、前記光源で生成される光信号の光強度をａとし、前記光検出器により検出される光信号の光強度の内の前記四分の一波長板の１回転θに対しｎ（ｎ＝２、４、６、８）倍周期で変化する正弦波成分及び余弦波成分の各振幅をそれぞれＳ（ｎ）及びＣ（ｎ）としたとき、前記被測定試料の複屈折量Δ及びその複屈折主軸の方位φを、
【数５】
の算出式から求める演算手段を備えることが可能である。
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、前記光源側の偏光素子は、前記光源からの光信号を受ける直線偏光子と、この直線偏光子からの光信号を受けて前記被測定試料側に出射する２つの位相差可変の位相子とを有し、前記制御手段は、前記２つの位相子の位相差を互いに所定の割合で変化させる手段を備えることが可能である。
【００１８】
この側面では、前記処理手段は、前記２つの位相子の位相差を変化させる割合を１対２としたときの当該２つの位相子の位相差をそれぞれδ及び２δとし、前記被測定試料の複屈折量及びその複屈折主軸の方位をそれぞれΔ及びφとし、前記光源で生成される光信号の光強度をａとし、前記光検出器により検出される光信号の光強度の内の前記位相子の位相変化δに対しｎ（ｎ＝１、２、３）倍周期で変化する正弦波成分及び余弦波成分の各振幅をそれぞれＳ（ｎ）及びＣ（ｎ）としたとき、前記被測定試料の複屈折量Δ及びその複屈折主軸の方位φを、
【数６】
の算出式から求める演算手段を備えることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る複屈折測定装置の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る複屈折測定装置を示す。
【００２１】
図１に示す複屈折測定装置は、光信号を放出する光源１と、この光源１からの光信号を所定の偏光状態に変化させて被測定試料ＯＢに入射させる光源側の偏光素子２と、被測定試料ＯＢから射出される光信号を受ける検出器側（受光側）の偏光素子３と、この検出器側の偏光素子３からの光信号をその光強度に応じたアナログ量の電気信号に変換して検出する光検出器４と、この光検出器４による信号検出が行なわれる間、光源側の偏光素子２を駆動させて被測定試料ＯＢに入射すべき光信号の偏光状態を制御するモータドライバ（本発明の制御手段の要部を成す）５と、光検出器４の信号出力側にＡ（Analog）／Ｄ（Digital）コンバータ（Ａ／Ｄ変換器）６を介して接続されるＰＣ（Personal Computer）（本発明の処理手段の要部を成す）７とを備える。ＰＣ７の出力側は図示しない信号線を介してモータドライバ５に接続される。
【００２２】
光源１は、本例では所定波長（例えば、６３２ｎｍ）のレーザ光を生成するレーザ装置で構成されるが、これに限定されず、例えばＬＥＤ（Light Emitting Device）等やその他のランプ等から出射した光束をレンズやミラーなど適当な光学系により平行光束とするタイプのものでも構わない。
【００２３】
光源側の偏光素子２は、本例では光源１から出射される光信号の光路上に配置される直線偏光子（以下、「光源側の直線偏光子２１」）及びその射出光の光路上に配置される四分の一波長板（以下、「光源側の四分の一波長板２２）で構成され、いずれもモータドライバ５の駆動動作により図示しない回転機構を介して光軸回りに回転可能となっている。このときの光源側の直線偏光子２１及びその四分の一波長板２２の回転比は、例えば本例では「１：２」を保つ（光源側の直線偏光子２１の偏光透過軸が基準方位（初期方位）に対し方位θの位置にあるときに光源側の四分の一波長板２２の複屈折主軸（進相軸）が基準方位に対し方位２θの位置にある）ように設定されている。
【００２４】
受光側の偏光素子３は、本例では被測定試料ＯＢから射出される光信号の光路上に配置される四分の一波長板（以下、「検出器側の四分の一波長板３１」）及びその射出光の光路上に配置される直線偏光子（以下、「検出器側の直線偏光子３２」）で構成される。本例では、検出器側の四分の一波長板３１はその主軸（進相軸）方位が光源側の直線偏光子２１の基準方位に対し方位４５度の位置に、また検出器側の直線偏光子３２はその偏光透過軸方位が基準方位に対し方位０度の位置にそれぞれ固定配置される。
【００２５】
ＰＣ７は、本例では本発明の複屈折測定原理に基づく偏光解析アルゴリズムを実行する制御・演算処理装置として機能するもので、図示しないＣＰＵがその偏光解析アルゴリズム用のプログラムの命令を逐次実行することにより、複屈折測定時にはモータドライバ７に対しその駆動動作を制御するための制御指令を与えると共に、光検出器４から出力される光信号の光強度に相当するアナログ量の電気信号をＡ／Ｄコンバータ６を介してデジタル信号として取り込み、その波形解析（ＤＦＴ解析等）による偏光解析により被測定試料ＯＢの複屈折Δ及びその主軸方位φを演算するようになっている。
【００２６】
ここで、本実施形態の全体動作を説明する。
【００２７】
まず、光源１から出射した光は、光源側の直線偏光子２１及びその四分の一波長板２２、被測定試料ＯＢ、検出器側の四分の一波長板３１及びその直線偏光子３２を通過し、光検出器４にて検出される。この間、モータドライバ５の駆動により光源側の直線偏光子２１及びその四分の一波長板２２が互いに１：２の回転比を保ちながら回転し、これにより光検出器４にて検出された光信号が、逐次、Ａ／Ｄコンバータ６を介してＰＣ７に取り込まれる。
【００２８】
このときの光検出器４で得られる光信号（光強度信号）は、ミューラー行列を用いたストークス・パラメータ（Stokes Parameter）による行列計算式では、次の（１）式で表現される。なお、ストークス・パラメータは、光の強度と偏りを表す４つの量、即ち光の強度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を１組として光の全ての偏光状態を記述するもので、またミューラー行列は、各種の偏光素子を、入射偏光のストークス・パラメータを出射偏光のそれに変換する素子として考えた場合の４×４の行列に相当するものである。
【００２９】
【数７】
上記（１）式において、Ｓ’は最終的に得られるストークス・パラメータ（４つの成分、即ちＳ’０〜Ｓ’３から構成）、Ｓは光源１のストークス・パラメータ（４つの成分、即ちＳ０〜Ｓ３から構成）、ＬＰθ、ＱＷ２θ、ＸΔ、φ、ＱＷ４５、及びＬＰ０は、それぞれ光源側の直線偏光子（方位θ度）２１、光源側の四分の一波長板（方位２θ度）２２、被測定試料（複屈折位相差Δ及び主軸方位φ）ＯＢ、検出器側の四分の一波長板（方位４５度）３１、及び検出器側の直線偏光子（方位０度）３２の各ミューラー行列を示す。
【００３０】
上記（１）式に従って逐次計算を行うと、ストークス・パラメータＳ’の光強度を表すＳ’０項は、次の（２）式〜（７）式で求めることができる。
【００３１】
【数８】
上記（３）式〜（７）式において、ａは、光源１から出射される光信号の光強度、ＤＣは光検出器４で検出される光信号の光強度の内の直流成分、Ｓ（ｎ）及びＣ（ｎ）（ｎ＝２、６）は、光検出器４で検出される光信号の光強度の内の光源側の直線偏光子２１の１回転に対しｎ倍周期で変化する正弦波成分及び余弦波成分の各振幅をそれぞれ示す。
【００３２】
上記（３）式〜（７）式を連立して解くと、被測定試料ＯＢの複屈折Δとその主軸方位φは、次の（８）式及び（９）式で求めることができる。
【００３３】
【数９】
【００３４】
上記（８）式によれば、複屈折Δは、従来例のように正弦（sin）関数からではなく、正接関数(tan)から得ることができるため、その測定ダイナミックレンジを従来例の「０〜λ／４」（λ：測定光の波長）から「０〜λ／２」に拡大させることができる。しかも、複屈折Δと同時にその主軸方位φを測定できるため、この点を勘案すれば、実質的に「０〜λ」の測定（フルレンジの測定）が可能となる。
【００３５】
また、上記（８）式によれば、ＤＣ成分を使用しないで複屈折Δを求めることができるため、光検出素子に迷光等が入射した場合や熱雑音等による光強度信号中のノイズ成分の影響を未然に防ぐことができ、明室内での光学系の設置も可能になるといった利点もある。
【００３６】
従って、ＰＣ７の処理により、光検出器４で得られる光信号を入力して、上記各式に基づく偏光解析アルゴリズム用のプログラムを実行することにより、正接関数で得られる測定範囲（０〜λ／２）の精度で、被測定試料ＯＢの複屈折Δをその主軸方位φと共に同時に演算することができる。
【００３７】
また、本実施形態では、検出器側の四分の一波長板及びその直線偏光子は回転動作を伴わない構成に構築できるため、フィルム状の偏光素子（偏光子及び波長板）を採用して光検出器の入射側に直接貼り付ける等、光検出器に密着させることができ、これにより、散乱を生じる被測定試料でも、光検出器を被測定試料に近接させることで、より安定した計測ができるといった利点も得られる。
【００３８】
上記複屈折測定原理の有効性を検証するため、被測定試料ＯＢとして複屈折量を可変可能なバビネソレイユ補償子（ＢＳＣ）を使用し、そのＢＳＣの位相差を変化させて複屈折位相差量（リターデーション：Retardation）及びその複屈折主軸の方位を実測した。その測定結果を図２に示す。図２中の横軸は、ＢＳＣの位相差を変化させる調整ネジの送り量を、また縦軸は、そのＢＳＣ調整ネジ送り量に対応して実測された複屈折位相差量及び主軸方位をそれぞれ示す。
【００３９】
図２に示す測定結果では、ＢＳＣの調整ネジの送り量に対して、複屈折量が線形に変化し、ＢＳＣの構造に起因する複屈折特性（調整ネジの送り量に対し複屈折量が線形に変化）とよく調和すると共に、複屈折位相差量が０〜３１６ｎｍ（測定光の波長６３２ｎｍに対し２分の一波長）の範囲で線形に増加及び減少を繰り返し（０ｎｍ及び３１６ｎｍの位置で折り返し）、その増減に応じて、主軸方位が９０度（＋４０度、−５０度）変化していることが確認された。従って、この測定結果からも、従来例の測定方法と比べ複屈折の測定ダイナミックレンジが広くとれていることが確認された。
【００４０】
以上、本実施形態による複屈折測定の特徴をまとめると、次の通りである。
１）複屈折量（複屈折位相差）を正接関数を用いた算出式により求めることができるため、従来の回転偏光子法等の偏光解析法と比べ、複屈折測定のダイナミックレンジが広がる。
２）複屈折主軸方位を同時に求めることができる。
３）受光側の偏光子（被測定試料から検出器側に配置する素子）を回転させる必要がないため、検出部の小型化が可能である。
４）２次元測定に拡張しやすい。
【００４１】
なお、本実施形態における計測方法は、光源側の偏光素子２（直線偏光子２１及び四分の一波長板２２）を回転させながら逐次光強度を測定してＤＦＴ解析する方法のほか、偏光素子２を１：２の回転比を保ちつつ高速に回転させて直線偏光子２１の１回転に対する２倍周期及び６倍周期の各成分をロックインアンプ等で同期検出する方法等を用いることが可能である。
【００４２】
また、本実施形態では、回転すべき光源側の直線偏光子２１及び四分の一波長板２２の回転比を１：２としたが、本発明はこれに限らず、この回転比を任意に設定することが可能である。これは、回転比を変化させると、その回転に伴う透過光強度の変化の割合が変化するが、ＤＦＴ解析で得られる情報（上記（３）〜（７）式）の内容は基本的に変わらないためである。
【００４３】
さらに、本実施形態では、光源側の直線偏光子２１の初期方位と、検出器側の直線偏光子３２の固定方位との関係を平行ニコル（いずれも方位０度）となるように設定しているが、本発明はこれに限らず、両者をいずれも方位９０度の位置にセットしても構わないし、互いに直交する位置（クロスニコルの関係となる位置）に配置しても構わない。これと同様に、検出器側の四分の一波長板の初期方位は、検出器側の直線偏光子３２に対し方位４５度の位置に設定されているが、これは相対的な方位であればよく、例えば方位１３５度の位置でも構わない。これらの設定方位の違いは、上記（３）〜（７）式では、符号の違いとなって表れる。
【００４４】
また、本実施形態では、光源にレーザを使用しているが、本発明はこれに限らず、例えばＬＥＤやその他のランプ等から出射した光束をレンズやミラーなど適当な光学系を用いて平行光束にしたものでも構わない。また、光源側の直線偏光子と光源の間に拡散板を置き、検出器側にレンズを配置して光検出を行うような構成であっても構わない。
【００４５】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る複屈折測定装置を示す。図３に示す複屈折測定装置は、上記第１実施形態と比べると、光源側の偏光素子の構成及び検出器側の偏光素子の方位を一部変更したもので、その他の構成は実質的に同様である。
【００４６】
すなわち、図３に示すように、光源側の偏光素子２ａは、方位０度に固定される直線偏光子２３と、モータドライバ５からの駆動により図示しない回転機構を介して所定の回転比（例えば１対２）で光軸回りに回転可能な２つの四分の一波長板２４、２５とから構成され、検出器側の偏光素子３ａを成す四分の一波長板３３及び直線偏光子３４は、それぞれ方位４５度及び方位９０度の位置に固定される。
【００４７】
この構成によれば、光源１から出射した光は、光源側の偏光素子２ａを成す直線偏光子２３及び２つの四分の一波長板２４、２５、被測定試料ＯＢ、検出器側の偏光素子３ａを成す四分の一波長板３３及び直線偏光子３４を通過し、光検出器４にて検出される。この間、モータドライバ５からの駆動により図示しない回転機構を介して光源側の２つの四分の一波長板２４、２５が互いに１：２の回転比を保ちつつ光軸回りに回転し、これにより光検出器４にて検出される光信号が、逐次、Ａ／Ｄコンバータ６を介してＰＣ７に取り込まれる。
【００４８】
このときの光検出器４で得られる光信号（光強度信号）は、前述したミューラー行列を用いたストークス・パラメータによる行列計算式では、次の（１２）式で表現される。
【００４９】
【数１０】
上記（１２）式において、Ｓ’は最終的に得られるストークス・パラメータ（４つの成分、即ちＳ’０〜Ｓ’３から構成）、Ｓは光源１のストークス・パラメータ（４つの成分、即ちＳ０〜Ｓ３から構成）、ＬＰ０、ＱＷθ、ＱＷ２θ、ＸΔ、φ、ＱＷ４５、及びＬＰ９０は、それぞれ光源側の直線偏光子（方位０度）２３、光源側の一方の四分の一波長板（方位θ）２４、その他方の四分の一波長板（方位２θ）２５、被測定試料（複屈折位相差Δ及び主軸方位φ）ＯＢ、検出器側の四分の一波長板（方位４５度）３３、及び検出器側の直線偏光子（方位９０度）３４の各ミューラー行列を示す。
【００５０】
上記（１２）式に従って逐次計算を行うと、ストークス・パラメータＳ’の光強度を表すＳ'０項は、次の（１３）式〜（２２）式で求めることができる。
【００５１】
【数１１】
上記（１４）式〜（２２）式において、ａは、光源１から出射される光信号の光強度、ＤＣは光検出器４で検出される光信号の光強度の内の直流成分、Ｓ（ｎ）及びＣ（ｎ）（ｎ＝２、４、６、８）は、光検出器４で検出される光信号の光強度の内の光源側側の四分の一波長板２４の１回転に対しｎ倍周期で変化する正弦波成分及び余弦波成分の各振幅をそれぞれ示す。
【００５２】
上記（１４）式〜（２２）式を連立して解くと、被測定試料ＯＢの複屈折Δとその主軸方位φは、次の（２３）式及び（２４）式で求めることができる。
【００５３】
【数１２】
【００５４】
上記（２３）式によれば、上記第１実施形態と同様に、複屈折Δを正弦関数ではなく、正接関数から得ることができ、これにより複屈折の測定ダイナミックレンジを拡大することができる。また、上記（２３）式以外の方法でも同様に連立方程式を解く方法が複数存在することは、上記（１４）〜（２２）式を見れば明らかである。
【００５５】
従って、本実施形態でも、ＰＣ７の処理により、光検出器４で得られる光信号を入力して、上記各式に基づく偏光解析アルゴリズム用のプログラムを実行することにより、正接関数で得られる測定範囲（λ／２）で、被測定試料ＯＢの複屈折Δとその主軸方位φを演算することができる。
【００５６】
また、上記（２３）式は、前述した（８）式と同様に、ＤＣ成分を使わないで複屈折が求められることを示し、これにより光検出素子に迷光等が入射した場合や熱雑音などのノイズ成分の影響を未然に防ぐことができ、明室内での光学系の設置が可能となるといった利点もある。
【００５７】
さらに、本実施形態の計測方法は、２つの四分の一波長板を回転させながら逐次光強度を測定し、ＤＦＴ解析する方法のほか、２つの四分の一波長板を１：２の回転比を保ちつつ高速に回転させて波長板の１回転に対する２倍周期、４倍周期、６倍周期、８倍周期の各成分をロックインアンプ等で同期検出する方法を用いることが可能である。
【００５８】
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係る複屈折測定装置を示す。図４に示す複屈折測定装置は、前記第１及び第２の実施形態と比べると、光源側の偏光素子として位相差板（直線偏光子、四分の一波長板）をＰＣに接続されたモータドライバにより光軸回りに回転させる構成の代わりに、位相差可変の素子（可変位相子、可変波長板）を配置し、その位相差をＰＣに接続された位相ドライバにより変化させる構成を採用したもので、その他の構成は実質的に同様である。
【００５９】
すなわち、図４において、光源側の偏光素子２ｂは、方位０度に固定される直線偏光子２６と、位相ドライバ５ａからの駆動により所定の割合（例えば１：２）で位相差を可変可能な２つの可変位相子２７、２８とから構成される。
【００６０】
２つの可変位相子２７、２８は、例えば液晶を用いたものや、バビネソレイユ補償子等で構成され、その進相軸（複屈折主軸）がそれぞれ方位４５度及び０度の位置に固定される。また、検出器側の偏光素子３ｂは、上記第２実施形態と同様に、方位４５度の位置に固定される四分の一波長板３５と、方位９０度の位置に固定される直線偏光子３６とから構成される。
【００６１】
この構成によれば、光源１から出射した光は、光源側の偏光素子２ｂを成す直線偏光子２６及び２つの可変位相子２７、２８、被測定試料ＯＢ、検出器側の偏光素子３ｂを成す四分の一波長板３５及び直線偏光子３６を通過し、光検出器４にて検出される。この間、位相ドライバ５ａの駆動制御により２つの可変位相子２７、２８の位相差が１：２の変化量の割合で変化し、これにより光検出器４にて検出される光信号が、逐次、Ａ／Ｄコンバータ６を介してＰＣ７に取り込まれる。
【００６２】
このときの光検出器４で得られる光信号（光強度信号）は、前述したミューラー行列を用いたストークス・パラメータによる行列計算式では、次の（２５）式で表現される。
【００６３】
【数１３】
上記（２５）式において、Ｓ’は最終的に得られるストークス・パラメータ（４つの成分、即ちＳ’０〜Ｓ’３から構成）、Ｓは光源１のストークス・パラメータ（４つの成分、即ちＳ０〜Ｓ３から構成）、ＬＰ０、Ｒδ、４５、Ｒ２δ、０、ＸΔ、φ、ＱＷ４５、及びＬＰ９０は、それぞれ光源側の直線偏光子（方位０度）２６、光源側の一方の可変位相子（位相差δ）２７、その他方の可変位相子（位相差２δ）２８、被測定試料（複屈折位相差Δ及び主軸方位φ）ＯＢ、検出器側の四分の一波長板（方位４５度）３５、及び検出器側の直線偏光子（方位９０度）３６の各ミューラー行列を示す。
【００６４】
上記（２５）式に従って逐次計算を行うと、ストークス・パラメータＳ’の光強度を表すＳ’０項は、次の（２６）式〜（３２）式で求めることができる。
【００６５】
【数１４】
上記（２７）〜（３２）式において、ａは、光源１から出射される光信号の光強度、ＤＣは光検出器４で検出される光信号の光強度の内の直流成分、Ｓ（ｎ）及びＣ（ｎ）（ｎ＝１、２、３）は、光検出器４で検出される光信号の光強度の内の光源側の可変位相子２７の位相変化δに対しｎ倍周期で変化する正弦波成分及び余弦波成分の各振幅をそれぞれ示す。
【００６６】
上記（２７）〜（３２）式を連立して解くと、被測定試料ＯＢの複屈折Δとその主軸方位φは、次の（３３）式及び（３４）式で求めることができる。
【００６７】
【数１５】
【００６８】
上記（３３）式によれば、上記第１及び第２の実施形態と同様に、ＰＣ７の処理により、複屈折Δを正弦関数ではなく、正接関数から得ることができ、これにより複屈折の測定ダイナミックレンジを拡大することができる。また、上記（３３）式以外の方法でも同様に連立方程式を解く方法が複数存在することは、上記（２７）〜（３２）式を見れば明らかである。
【００６９】
従って、本実施形態でも、ＰＣ７の処理により、光検出器４で得られる光信号を入力して、上記各式に基づく偏光解析アルゴリズム用のプログラムを実行することにより、正接関数で得られる測定範囲（λ／２）の精度で、被測定試料ＯＢの複屈折Δとその主軸方位φを演算することができる。
【００７０】
また、上記（３３）式は、前述した（８）式及び（２３）式と同様に、ＤＣ成分を使わないで複屈折が求められることを示し、これにより光検出素子に迷光等が入射した場合や熱雑音などのノイズ成分の影響を未然に防ぐことができ、明室内での光学系の設置が可能となるといった利点もある。
【００７１】
また、本実施形態の計測方法としては、２つの可変位相子の位相差を変化させながら逐次光強度を測定してＤＦＴ解析する方法を例示できる。また、２つの可変位相子における位相差の変化の割合は、上述の１：２に限らず、２：１でも、１：３でも同様の解析が可能である。
【００７２】
（第４実施形態）
図５は、第４実施形態に係る複屈折測定装置を示す。図５に示す複屈折測定装置は、上記第１実施形態と比べると、計測原理は同じであるが、光検出器４の代わりにＣＣＤカメラ等の２次元画像取得器４ａを配置し、これに伴い、光源側の偏光素子２を成す直線偏光子２１及び四分の一波長板２２側にその光路を拡大させるためのビームエキスパンダ２９を挿入配置し、さらに２次元画像取得器４ａにて取得される画像をＰＣ７に転送するのためにフレームメモリ８を配置した点が相違する。それ以外の構成（検出器側の偏光素子３を成す四分の一波長板３１及び直線偏光子３２、モータドライバ７等）は、上記第１実施形態と本質的に同様である。
【００７３】
この構成によれば、光源１からの光信号は、光源側の直線偏光子２１及びその四分の一波長板２２を通過し、ビームエキスパンダ２９にてその光路が拡大され、その拡大ビームがそのまま被測定試料ＯＢ、検出器側の四分の一波長板３１、及び直線偏光子３２を通過し、２次元画像取得器４ａにて検出される。この間、モータドライバ５の駆動により光源側の直線偏光子２１及びその四分の一波長板２２が互いに１：２の回転比を保ちながら回転し、これにより２次元画像取得器４ａにて検出された光信号の光強度を反映した２次元画像データが、逐次、Ａ／Ｄコンバータ６を介してＰＣ７に取り込まれる。
【００７４】
従って、本実施形態でも、ＰＣ７の処理により、２次元画像取得器４ａで得られる２次元画像データを入力して、上記各式に基づく偏光解析アルゴリズム用のプログラムを実行することにより、正接関数で得られる測定範囲（λ／２）の精度で、被測定試料ＯＢの複屈折Δとその主軸方位φを２演算することができる。これにより、第１実施形態と同様の測定ダイナミックレンジを持つ２次元の複屈折測定を実施可能となる。
【００７５】
なお、図５に示す光学配置例では、光源側の四分の一波長板２２と被測定試料ＯＢとの間の光路上にビームエキスパンダ２９を配置しているが、これに限らず、例えば、図６に示すように、光源側の直線偏光子２１と光源１の間にビームエキスパンダ２９を配置しても原理的には上記と同様に考えることができる。
【００７６】
また、本実施形態では、第１実施形態における光学配置を適用しているが、第２及び第３実施形態における光学配置でも同様に適用可能である。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複屈折の大きさがλ／４（測定光の四分の一波長）以上を示したり、或いは強散乱体の性質を示したりする高分子材料等の被測定試料であっても、複屈折量及びその複屈折主軸の方位を比較的簡素な構成で測定できる複屈折測定装置を安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る複屈折測定装置の全体構成及びその偏光素子配置を示す概略図。
【図２】バビネソレイユ補償子（ＢＳＣ）を用いた測定結果を示すグラフ。
【図３】本発明の第２実施形態に係る複屈折測定装置の全体構成及びその偏光素子配置を示す概略図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る複屈折測定装置の全体構成及びその偏光素子配置を示す概略図。
【図５】本発明の第４実施形態に係る複屈折測定装置の全体構成及びその偏光素子配置を示す概略図。
【図６】図５に示す構成の変形例を示す概略図。
【符号の説明】
１ 光源
２、２ａ、２ｂ、２ｃ 光源側の偏光素子
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 検出器側の偏光素子
４ 光検出器
４ａ ２次元画像取得器４ａ
５ モータドライバ
５ａ 位相ドライバ
６ Ａ／Ｄコンバータ
７ ＰＣ
８ フレームメモリ
２１ 光源側の直線偏光子（回転）
２２、２４、２５ 光源側の四分の一波長板（回転）
２３、２６ 光源側の直線偏光子（固定）
２７、２８ 可変位相子
２９ ビームエキスパンダ
３１、３３、３５ 検出器側の四分の一波長板
３２、３４、３６ 検出器側の直線偏光子
【発明の属する技術分野】
本発明は、複屈折測定装置に係り、特に偏光測定光学系の偏光素子配置及びその駆動方法を含む装置構成及び偏光解析アルゴリズムの工夫に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、オプトエレクトロニクスの発展に伴い、工学分野においては、射出成形品、光ディスク、薄膜製品、結晶を用いた光学素子、高分子フィルム、及び液晶等の製品に対する需要が急速に増加してきている。従って、これら工学分野では、各製品の品質を定量的に評価するための装置及び手法の１つとして、これらの持つ複屈折を計測する複屈折測定がより一層強く期待されるようになってきている。
【０００３】
一方、高分子材料や結晶の多くは、その内部に存在する光学的な散乱体の影響で、光を入射させた場合に散乱を起こすものが少なくない。一般に、こういった散乱を起こす試料では、その散乱により光の多重反射等の現象が起こり、これが原因で複屈折測定の精度低下をもたらすと言われている。従って、このような被測定試料の場合では、とくに散乱による精度低下を回避するための複屈折測定の手法として、パルス光を用いた計測方法や、自己相関関数を利用した解析方法等の解析アルゴリズムが提案されている。
【０００４】
その一方で、高分子フィルムに代表される様に厚さの薄いものや、高温、強電界、強磁界等の特殊な環境下で使用されるものでは、極力簡便な機器構成の測定装置を使用したいといった要求もある。従って、このような被測定試料の場合の複屈折測定手法としては、複雑な機器構成や特殊な装置によらずに、一般に知られている偏光解析方法等を用いることが期待されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例の複屈折測定では、以下のような問題があった。
【０００６】
まず、一般に知られている偏光解析方法にあっては、例えば回転検光子法や回転位相子法等の手法では、被測定試料の複屈折主軸を測定光学系の偏光軸に対し所定角度にセットしなければならず、また回転偏光子法等の複屈折主軸を同時に測定する手法では、複屈折測定のダイナミックレンジ（測定精度）が正弦関数から得られる「０〜λ／４」（λは測定光の波長）の角度範囲に制限されるといった不都合があった。
【０００７】
また、散乱の大きな試料に対して複屈折測定を試みる場合には、試料と光検出素子との間の距離をできるだけ近接させることがその測定精度を高める為に重要となるが、この距離に関しては、被測定試料と光検出素子との間の偏光素子を何らかの方法で動的に動かしたり、変調したりする手法では、その機構の物理的な大きさによって最短距離が決まってしまうといった制約があった。しかも、ＣＣＤカメラ等を用いて２次元分布測定を行う場合では、そのカメラ直前の素子（光学系）が大きくなってしまうことから、これらの素子を駆動することは、測定安定性を損ない易く、また機械的な大きさが大きくなり、製造コストが高くなるといった問題もあった。
【０００８】
さらに、近年、高分子研究分野や生体研究分野等において、配向制御や分子配向状態を定量的に評価するために複屈折評価を行なわれるようになってきているが、これらの高分子材料は複屈折の大きさがλ／４（測定光の四分の一波長）以上になることもあり、しかも強散乱体であることが少なくない。従って、これら研究分野での複屈折評価においても、上述の複屈折測定上のダイナミックレンジの制約を受けたり、被測定試料及び光検出素子間の偏光素子の光学配置やその駆動方法で決まる測定精度上の制約を受けてしまうことが予想される。
【０００９】
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、複屈折の大きさがλ／４（測定光の四分の一波長）以上を示したり、或いは強散乱体の性質を示したりする高分子材料等の被測定試料であっても、複屈折量及びその複屈折主軸の方位を比較的簡素な構成で測定できる複屈折測定装置を安価に提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る複屈折測定装置は、光信号を発生する光源と、前記光源からの光信号を所定の偏光状態に変化させながら被測定試料に入射させる光源側の偏光素子と、前記被測定試料からの光信号を受け、回転動作を伴わない構成とした受光側の偏光素子と、前記受光側の偏光素子からの光信号を検出する光検出器と、前記光検出器により前記光信号が検出される間、前記光源側の偏光素子の少なくとも一部を駆動することにより前記被測定試料に入射される光信号の偏光状態を制御する制御手段と、前記光検出器により検出された光信号の光強度に基づいて、前記被測定試料の複屈折量をその複屈折主軸の方位と共に正接関数で求まる測定範囲を演算する処理手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明において、複屈折量の正接関数で求まる測定範囲とは、「０〜λ／２（λ：光源の光信号の波長）」のことを言う。この複屈折量を複屈折主軸の方位と共に演算できることから、その実質的な測定範囲の精度が「０〜λ」に向上することになる。
【００１２】
本発明の好適な例として、前記受光側の偏光素子は、前記被測定試料からの光信号を受ける四分の一波長板と、この四分の一波長板からの光信号を受けて前記光検出器側に出射する直線偏光子とを備え、前記四分の一波長板の進相軸及び前記直線偏光子の偏光透過軸は、それぞれ所定方位の位置に固定されていることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の１つの側面として、前記光源側の偏光素子は、前記光源からの光信号を受ける直線偏光子と、この直線偏光子からの光信号を受けて前記被測定試料側に出射する四分の一波長板とを有し、前記制御手段は、前記直線偏光子及び四分の一波長板を互いに所定の回転比を保ちつつ光軸回りに回転させる駆動手段を備えることが可能である。
【００１４】
この側面では、前記処理手段は、前記光源側偏光素子の直線偏光子及び四分の一波長板の回転比を１対２としたときの当該直線偏光子の偏光透過軸及び四分の一波長板の進相軸の各方位をそれぞれθ及び２θとし、前記被測定試料の複屈折量及びその複屈折主軸の方位をそれぞれΔ及びφとし、前記光源で生成される光信号の光強度をａとし、前記光検出器により検出される光信号の光強度の内の前記直線偏光子の１回転θに対しｎ（ｎ＝２、６）倍周期で変化する正弦波成分及び余弦波成分の各振幅をそれぞれＳ（ｎ）及びＣ（ｎ）としたとき、前記被測定試料の複屈折量Δ及びその複屈折主軸の方位φを、
【数４】
【００１５】
本発明の別の側面では、前記光源側の偏光素子は、前記光源からの光信号を受ける直線偏光子と、この直線偏光子からの光信号を受けて前記被測定試料側に出射する２つの四分の一波長板とを有し、前記制御手段は、前記２つの四分の一波長板を互いに所定の回転比を保ちつつ光軸回りに回転させる手段を備えることが可能である。
【００１６】
この側面では、前記処理手段は、前記２つの四分の一波長板の回転比を１対２としたときの当該２つの四分の一波長板の進相軸の方位をそれぞれθ及び２θとし、前記被測定試料の複屈折量及びその複屈折主軸の方位をそれぞれΔ及びφとし、前記光源で生成される光信号の光強度をａとし、前記光検出器により検出される光信号の光強度の内の前記四分の一波長板の１回転θに対しｎ（ｎ＝２、４、６、８）倍周期で変化する正弦波成分及び余弦波成分の各振幅をそれぞれＳ（ｎ）及びＣ（ｎ）としたとき、前記被測定試料の複屈折量Δ及びその複屈折主軸の方位φを、
【数５】
【００１７】
本発明のさらに別の側面では、前記光源側の偏光素子は、前記光源からの光信号を受ける直線偏光子と、この直線偏光子からの光信号を受けて前記被測定試料側に出射する２つの位相差可変の位相子とを有し、前記制御手段は、前記２つの位相子の位相差を互いに所定の割合で変化させる手段を備えることが可能である。
【００１８】
この側面では、前記処理手段は、前記２つの位相子の位相差を変化させる割合を１対２としたときの当該２つの位相子の位相差をそれぞれδ及び２δとし、前記被測定試料の複屈折量及びその複屈折主軸の方位をそれぞれΔ及びφとし、前記光源で生成される光信号の光強度をａとし、前記光検出器により検出される光信号の光強度の内の前記位相子の位相変化δに対しｎ（ｎ＝１、２、３）倍周期で変化する正弦波成分及び余弦波成分の各振幅をそれぞれＳ（ｎ）及びＣ（ｎ）としたとき、前記被測定試料の複屈折量Δ及びその複屈折主軸の方位φを、
【数６】
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る複屈折測定装置の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る複屈折測定装置を示す。
【００２１】
図１に示す複屈折測定装置は、光信号を放出する光源１と、この光源１からの光信号を所定の偏光状態に変化させて被測定試料ＯＢに入射させる光源側の偏光素子２と、被測定試料ＯＢから射出される光信号を受ける検出器側（受光側）の偏光素子３と、この検出器側の偏光素子３からの光信号をその光強度に応じたアナログ量の電気信号に変換して検出する光検出器４と、この光検出器４による信号検出が行なわれる間、光源側の偏光素子２を駆動させて被測定試料ＯＢに入射すべき光信号の偏光状態を制御するモータドライバ（本発明の制御手段の要部を成す）５と、光検出器４の信号出力側にＡ（Analog）／Ｄ（Digital）コンバータ（Ａ／Ｄ変換器）６を介して接続されるＰＣ（Personal Computer）（本発明の処理手段の要部を成す）７とを備える。ＰＣ７の出力側は図示しない信号線を介してモータドライバ５に接続される。
【００２２】
光源１は、本例では所定波長（例えば、６３２ｎｍ）のレーザ光を生成するレーザ装置で構成されるが、これに限定されず、例えばＬＥＤ（Light Emitting Device）等やその他のランプ等から出射した光束をレンズやミラーなど適当な光学系により平行光束とするタイプのものでも構わない。
【００２３】
光源側の偏光素子２は、本例では光源１から出射される光信号の光路上に配置される直線偏光子（以下、「光源側の直線偏光子２１」）及びその射出光の光路上に配置される四分の一波長板（以下、「光源側の四分の一波長板２２）で構成され、いずれもモータドライバ５の駆動動作により図示しない回転機構を介して光軸回りに回転可能となっている。このときの光源側の直線偏光子２１及びその四分の一波長板２２の回転比は、例えば本例では「１：２」を保つ（光源側の直線偏光子２１の偏光透過軸が基準方位（初期方位）に対し方位θの位置にあるときに光源側の四分の一波長板２２の複屈折主軸（進相軸）が基準方位に対し方位２θの位置にある）ように設定されている。
【００２４】
受光側の偏光素子３は、本例では被測定試料ＯＢから射出される光信号の光路上に配置される四分の一波長板（以下、「検出器側の四分の一波長板３１」）及びその射出光の光路上に配置される直線偏光子（以下、「検出器側の直線偏光子３２」）で構成される。本例では、検出器側の四分の一波長板３１はその主軸（進相軸）方位が光源側の直線偏光子２１の基準方位に対し方位４５度の位置に、また検出器側の直線偏光子３２はその偏光透過軸方位が基準方位に対し方位０度の位置にそれぞれ固定配置される。
【００２５】
ＰＣ７は、本例では本発明の複屈折測定原理に基づく偏光解析アルゴリズムを実行する制御・演算処理装置として機能するもので、図示しないＣＰＵがその偏光解析アルゴリズム用のプログラムの命令を逐次実行することにより、複屈折測定時にはモータドライバ７に対しその駆動動作を制御するための制御指令を与えると共に、光検出器４から出力される光信号の光強度に相当するアナログ量の電気信号をＡ／Ｄコンバータ６を介してデジタル信号として取り込み、その波形解析（ＤＦＴ解析等）による偏光解析により被測定試料ＯＢの複屈折Δ及びその主軸方位φを演算するようになっている。
【００２６】
ここで、本実施形態の全体動作を説明する。
【００２７】
まず、光源１から出射した光は、光源側の直線偏光子２１及びその四分の一波長板２２、被測定試料ＯＢ、検出器側の四分の一波長板３１及びその直線偏光子３２を通過し、光検出器４にて検出される。この間、モータドライバ５の駆動により光源側の直線偏光子２１及びその四分の一波長板２２が互いに１：２の回転比を保ちながら回転し、これにより光検出器４にて検出された光信号が、逐次、Ａ／Ｄコンバータ６を介してＰＣ７に取り込まれる。
【００２８】
このときの光検出器４で得られる光信号（光強度信号）は、ミューラー行列を用いたストークス・パラメータ（Stokes Parameter）による行列計算式では、次の（１）式で表現される。なお、ストークス・パラメータは、光の強度と偏りを表す４つの量、即ち光の強度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を１組として光の全ての偏光状態を記述するもので、またミューラー行列は、各種の偏光素子を、入射偏光のストークス・パラメータを出射偏光のそれに変換する素子として考えた場合の４×４の行列に相当するものである。
【００２９】
【数７】
【００３０】
上記（１）式に従って逐次計算を行うと、ストークス・パラメータＳ’の光強度を表すＳ’０項は、次の（２）式〜（７）式で求めることができる。
【００３１】
【数８】
【００３２】
上記（３）式〜（７）式を連立して解くと、被測定試料ＯＢの複屈折Δとその主軸方位φは、次の（８）式及び（９）式で求めることができる。
【００３３】
【数９】
上記（８）式によれば、複屈折Δは、従来例のように正弦（sin）関数からではなく、正接関数(tan)から得ることができるため、その測定ダイナミックレンジを従来例の「０〜λ／４」（λ：測定光の波長）から「０〜λ／２」に拡大させることができる。しかも、複屈折Δと同時にその主軸方位φを測定できるため、この点を勘案すれば、実質的に「０〜λ」の測定（フルレンジの測定）が可能となる。
【００３５】
また、上記（８）式によれば、ＤＣ成分を使用しないで複屈折Δを求めることができるため、光検出素子に迷光等が入射した場合や熱雑音等による光強度信号中のノイズ成分の影響を未然に防ぐことができ、明室内での光学系の設置も可能になるといった利点もある。
【００３６】
従って、ＰＣ７の処理により、光検出器４で得られる光信号を入力して、上記各式に基づく偏光解析アルゴリズム用のプログラムを実行することにより、正接関数で得られる測定範囲（０〜λ／２）の精度で、被測定試料ＯＢの複屈折Δをその主軸方位φと共に同時に演算することができる。
【００３７】
また、本実施形態では、検出器側の四分の一波長板及びその直線偏光子は回転動作を伴わない構成に構築できるため、フィルム状の偏光素子（偏光子及び波長板）を採用して光検出器の入射側に直接貼り付ける等、光検出器に密着させることができ、これにより、散乱を生じる被測定試料でも、光検出器を被測定試料に近接させることで、より安定した計測ができるといった利点も得られる。
【００３８】
上記複屈折測定原理の有効性を検証するため、被測定試料ＯＢとして複屈折量を可変可能なバビネソレイユ補償子（ＢＳＣ）を使用し、そのＢＳＣの位相差を変化させて複屈折位相差量（リターデーション：Retardation）及びその複屈折主軸の方位を実測した。その測定結果を図２に示す。図２中の横軸は、ＢＳＣの位相差を変化させる調整ネジの送り量を、また縦軸は、そのＢＳＣ調整ネジ送り量に対応して実測された複屈折位相差量及び主軸方位をそれぞれ示す。
【００３９】
図２に示す測定結果では、ＢＳＣの調整ネジの送り量に対して、複屈折量が線形に変化し、ＢＳＣの構造に起因する複屈折特性（調整ネジの送り量に対し複屈折量が線形に変化）とよく調和すると共に、複屈折位相差量が０〜３１６ｎｍ（測定光の波長６３２ｎｍに対し２分の一波長）の範囲で線形に増加及び減少を繰り返し（０ｎｍ及び３１６ｎｍの位置で折り返し）、その増減に応じて、主軸方位が９０度（＋４０度、−５０度）変化していることが確認された。従って、この測定結果からも、従来例の測定方法と比べ複屈折の測定ダイナミックレンジが広くとれていることが確認された。
【００４０】
以上、本実施形態による複屈折測定の特徴をまとめると、次の通りである。
１）複屈折量（複屈折位相差）を正接関数を用いた算出式により求めることができるため、従来の回転偏光子法等の偏光解析法と比べ、複屈折測定のダイナミックレンジが広がる。
２）複屈折主軸方位を同時に求めることができる。
３）受光側の偏光子（被測定試料から検出器側に配置する素子）を回転させる必要がないため、検出部の小型化が可能である。
４）２次元測定に拡張しやすい。
【００４１】
なお、本実施形態における計測方法は、光源側の偏光素子２（直線偏光子２１及び四分の一波長板２２）を回転させながら逐次光強度を測定してＤＦＴ解析する方法のほか、偏光素子２を１：２の回転比を保ちつつ高速に回転させて直線偏光子２１の１回転に対する２倍周期及び６倍周期の各成分をロックインアンプ等で同期検出する方法等を用いることが可能である。
【００４２】
また、本実施形態では、回転すべき光源側の直線偏光子２１及び四分の一波長板２２の回転比を１：２としたが、本発明はこれに限らず、この回転比を任意に設定することが可能である。これは、回転比を変化させると、その回転に伴う透過光強度の変化の割合が変化するが、ＤＦＴ解析で得られる情報（上記（３）〜（７）式）の内容は基本的に変わらないためである。
【００４３】
さらに、本実施形態では、光源側の直線偏光子２１の初期方位と、検出器側の直線偏光子３２の固定方位との関係を平行ニコル（いずれも方位０度）となるように設定しているが、本発明はこれに限らず、両者をいずれも方位９０度の位置にセットしても構わないし、互いに直交する位置（クロスニコルの関係となる位置）に配置しても構わない。これと同様に、検出器側の四分の一波長板の初期方位は、検出器側の直線偏光子３２に対し方位４５度の位置に設定されているが、これは相対的な方位であればよく、例えば方位１３５度の位置でも構わない。これらの設定方位の違いは、上記（３）〜（７）式では、符号の違いとなって表れる。
【００４４】
また、本実施形態では、光源にレーザを使用しているが、本発明はこれに限らず、例えばＬＥＤやその他のランプ等から出射した光束をレンズやミラーなど適当な光学系を用いて平行光束にしたものでも構わない。また、光源側の直線偏光子と光源の間に拡散板を置き、検出器側にレンズを配置して光検出を行うような構成であっても構わない。
【００４５】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る複屈折測定装置を示す。図３に示す複屈折測定装置は、上記第１実施形態と比べると、光源側の偏光素子の構成及び検出器側の偏光素子の方位を一部変更したもので、その他の構成は実質的に同様である。
【００４６】
すなわち、図３に示すように、光源側の偏光素子２ａは、方位０度に固定される直線偏光子２３と、モータドライバ５からの駆動により図示しない回転機構を介して所定の回転比（例えば１対２）で光軸回りに回転可能な２つの四分の一波長板２４、２５とから構成され、検出器側の偏光素子３ａを成す四分の一波長板３３及び直線偏光子３４は、それぞれ方位４５度及び方位９０度の位置に固定される。
【００４７】
この構成によれば、光源１から出射した光は、光源側の偏光素子２ａを成す直線偏光子２３及び２つの四分の一波長板２４、２５、被測定試料ＯＢ、検出器側の偏光素子３ａを成す四分の一波長板３３及び直線偏光子３４を通過し、光検出器４にて検出される。この間、モータドライバ５からの駆動により図示しない回転機構を介して光源側の２つの四分の一波長板２４、２５が互いに１：２の回転比を保ちつつ光軸回りに回転し、これにより光検出器４にて検出される光信号が、逐次、Ａ／Ｄコンバータ６を介してＰＣ７に取り込まれる。
【００４８】
このときの光検出器４で得られる光信号（光強度信号）は、前述したミューラー行列を用いたストークス・パラメータによる行列計算式では、次の（１２）式で表現される。
【００４９】
【数１０】
【００５０】
上記（１２）式に従って逐次計算を行うと、ストークス・パラメータＳ’の光強度を表すＳ'０項は、次の（１３）式〜（２２）式で求めることができる。
【００５１】
【数１１】
【００５２】
上記（１４）式〜（２２）式を連立して解くと、被測定試料ＯＢの複屈折Δとその主軸方位φは、次の（２３）式及び（２４）式で求めることができる。
【００５３】
【数１２】
上記（２３）式によれば、上記第１実施形態と同様に、複屈折Δを正弦関数ではなく、正接関数から得ることができ、これにより複屈折の測定ダイナミックレンジを拡大することができる。また、上記（２３）式以外の方法でも同様に連立方程式を解く方法が複数存在することは、上記（１４）〜（２２）式を見れば明らかである。
【００５５】
従って、本実施形態でも、ＰＣ７の処理により、光検出器４で得られる光信号を入力して、上記各式に基づく偏光解析アルゴリズム用のプログラムを実行することにより、正接関数で得られる測定範囲（λ／２）で、被測定試料ＯＢの複屈折Δとその主軸方位φを演算することができる。
【００５６】
また、上記（２３）式は、前述した（８）式と同様に、ＤＣ成分を使わないで複屈折が求められることを示し、これにより光検出素子に迷光等が入射した場合や熱雑音などのノイズ成分の影響を未然に防ぐことができ、明室内での光学系の設置が可能となるといった利点もある。
【００５７】
さらに、本実施形態の計測方法は、２つの四分の一波長板を回転させながら逐次光強度を測定し、ＤＦＴ解析する方法のほか、２つの四分の一波長板を１：２の回転比を保ちつつ高速に回転させて波長板の１回転に対する２倍周期、４倍周期、６倍周期、８倍周期の各成分をロックインアンプ等で同期検出する方法を用いることが可能である。
【００５８】
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係る複屈折測定装置を示す。図４に示す複屈折測定装置は、前記第１及び第２の実施形態と比べると、光源側の偏光素子として位相差板（直線偏光子、四分の一波長板）をＰＣに接続されたモータドライバにより光軸回りに回転させる構成の代わりに、位相差可変の素子（可変位相子、可変波長板）を配置し、その位相差をＰＣに接続された位相ドライバにより変化させる構成を採用したもので、その他の構成は実質的に同様である。
【００５９】
すなわち、図４において、光源側の偏光素子２ｂは、方位０度に固定される直線偏光子２６と、位相ドライバ５ａからの駆動により所定の割合（例えば１：２）で位相差を可変可能な２つの可変位相子２７、２８とから構成される。
【００６０】
２つの可変位相子２７、２８は、例えば液晶を用いたものや、バビネソレイユ補償子等で構成され、その進相軸（複屈折主軸）がそれぞれ方位４５度及び０度の位置に固定される。また、検出器側の偏光素子３ｂは、上記第２実施形態と同様に、方位４５度の位置に固定される四分の一波長板３５と、方位９０度の位置に固定される直線偏光子３６とから構成される。
【００６１】
この構成によれば、光源１から出射した光は、光源側の偏光素子２ｂを成す直線偏光子２６及び２つの可変位相子２７、２８、被測定試料ＯＢ、検出器側の偏光素子３ｂを成す四分の一波長板３５及び直線偏光子３６を通過し、光検出器４にて検出される。この間、位相ドライバ５ａの駆動制御により２つの可変位相子２７、２８の位相差が１：２の変化量の割合で変化し、これにより光検出器４にて検出される光信号が、逐次、Ａ／Ｄコンバータ６を介してＰＣ７に取り込まれる。
【００６２】
このときの光検出器４で得られる光信号（光強度信号）は、前述したミューラー行列を用いたストークス・パラメータによる行列計算式では、次の（２５）式で表現される。
【００６３】
【数１３】
【００６４】
上記（２５）式に従って逐次計算を行うと、ストークス・パラメータＳ’の光強度を表すＳ’０項は、次の（２６）式〜（３２）式で求めることができる。
【００６５】
【数１４】
【００６６】
上記（２７）〜（３２）式を連立して解くと、被測定試料ＯＢの複屈折Δとその主軸方位φは、次の（３３）式及び（３４）式で求めることができる。
【００６７】
【数１５】
上記（３３）式によれば、上記第１及び第２の実施形態と同様に、ＰＣ７の処理により、複屈折Δを正弦関数ではなく、正接関数から得ることができ、これにより複屈折の測定ダイナミックレンジを拡大することができる。また、上記（３３）式以外の方法でも同様に連立方程式を解く方法が複数存在することは、上記（２７）〜（３２）式を見れば明らかである。
【００６９】
従って、本実施形態でも、ＰＣ７の処理により、光検出器４で得られる光信号を入力して、上記各式に基づく偏光解析アルゴリズム用のプログラムを実行することにより、正接関数で得られる測定範囲（λ／２）の精度で、被測定試料ＯＢの複屈折Δとその主軸方位φを演算することができる。
【００７０】
また、上記（３３）式は、前述した（８）式及び（２３）式と同様に、ＤＣ成分を使わないで複屈折が求められることを示し、これにより光検出素子に迷光等が入射した場合や熱雑音などのノイズ成分の影響を未然に防ぐことができ、明室内での光学系の設置が可能となるといった利点もある。
【００７１】
また、本実施形態の計測方法としては、２つの可変位相子の位相差を変化させながら逐次光強度を測定してＤＦＴ解析する方法を例示できる。また、２つの可変位相子における位相差の変化の割合は、上述の１：２に限らず、２：１でも、１：３でも同様の解析が可能である。
【００７２】
（第４実施形態）
図５は、第４実施形態に係る複屈折測定装置を示す。図５に示す複屈折測定装置は、上記第１実施形態と比べると、計測原理は同じであるが、光検出器４の代わりにＣＣＤカメラ等の２次元画像取得器４ａを配置し、これに伴い、光源側の偏光素子２を成す直線偏光子２１及び四分の一波長板２２側にその光路を拡大させるためのビームエキスパンダ２９を挿入配置し、さらに２次元画像取得器４ａにて取得される画像をＰＣ７に転送するのためにフレームメモリ８を配置した点が相違する。それ以外の構成（検出器側の偏光素子３を成す四分の一波長板３１及び直線偏光子３２、モータドライバ７等）は、上記第１実施形態と本質的に同様である。
【００７３】
この構成によれば、光源１からの光信号は、光源側の直線偏光子２１及びその四分の一波長板２２を通過し、ビームエキスパンダ２９にてその光路が拡大され、その拡大ビームがそのまま被測定試料ＯＢ、検出器側の四分の一波長板３１、及び直線偏光子３２を通過し、２次元画像取得器４ａにて検出される。この間、モータドライバ５の駆動により光源側の直線偏光子２１及びその四分の一波長板２２が互いに１：２の回転比を保ちながら回転し、これにより２次元画像取得器４ａにて検出された光信号の光強度を反映した２次元画像データが、逐次、Ａ／Ｄコンバータ６を介してＰＣ７に取り込まれる。
【００７４】
従って、本実施形態でも、ＰＣ７の処理により、２次元画像取得器４ａで得られる２次元画像データを入力して、上記各式に基づく偏光解析アルゴリズム用のプログラムを実行することにより、正接関数で得られる測定範囲（λ／２）の精度で、被測定試料ＯＢの複屈折Δとその主軸方位φを２演算することができる。これにより、第１実施形態と同様の測定ダイナミックレンジを持つ２次元の複屈折測定を実施可能となる。
【００７５】
なお、図５に示す光学配置例では、光源側の四分の一波長板２２と被測定試料ＯＢとの間の光路上にビームエキスパンダ２９を配置しているが、これに限らず、例えば、図６に示すように、光源側の直線偏光子２１と光源１の間にビームエキスパンダ２９を配置しても原理的には上記と同様に考えることができる。
【００７６】
また、本実施形態では、第１実施形態における光学配置を適用しているが、第２及び第３実施形態における光学配置でも同様に適用可能である。
【００７７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複屈折の大きさがλ／４（測定光の四分の一波長）以上を示したり、或いは強散乱体の性質を示したりする高分子材料等の被測定試料であっても、複屈折量及びその複屈折主軸の方位を比較的簡素な構成で測定できる複屈折測定装置を安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る複屈折測定装置の全体構成及びその偏光素子配置を示す概略図。
【図２】バビネソレイユ補償子（ＢＳＣ）を用いた測定結果を示すグラフ。
【図３】本発明の第２実施形態に係る複屈折測定装置の全体構成及びその偏光素子配置を示す概略図。
【図４】本発明の第３実施形態に係る複屈折測定装置の全体構成及びその偏光素子配置を示す概略図。
【図５】本発明の第４実施形態に係る複屈折測定装置の全体構成及びその偏光素子配置を示す概略図。
【図６】図５に示す構成の変形例を示す概略図。
【符号の説明】
１ 光源
２、２ａ、２ｂ、２ｃ 光源側の偏光素子
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 検出器側の偏光素子
４ 光検出器
４ａ ２次元画像取得器４ａ
５ モータドライバ
５ａ 位相ドライバ
６ Ａ／Ｄコンバータ
７ ＰＣ
８ フレームメモリ
２１ 光源側の直線偏光子（回転）
２２、２４、２５ 光源側の四分の一波長板（回転）
２３、２６ 光源側の直線偏光子（固定）
２７、２８ 可変位相子
２９ ビームエキスパンダ
３１、３３、３５ 検出器側の四分の一波長板
３２、３４、３６ 検出器側の直線偏光子
Claims (8)
- 光信号を発生する光源と、
前記光源からの光信号を所定の偏光状態に変化させながら被測定試料に入射させる光源側の偏光素子と、
前記被測定試料からの光信号を受け、回転動作を伴わない構成とした受光側の偏光素子と、
前記受光側の偏光素子からの光信号を検出する光検出器と、
前記光検出器により前記光信号が検出される間、前記光源側の偏光素子の少なくとも一部を駆動することにより前記被測定試料に入射される光信号の偏光状態を制御する制御手段と、
前記光検出器により検出された光信号の光強度に基づいて、前記被測定試料の複屈折量をその複屈折主軸の方位と共に正接関数で求まる測定範囲を演算する処理手段とを備えたことを特徴とする複屈折測定装置。 - 前記受光側の偏光素子は、前記被測定試料からの光信号を受ける四分の一波長板と、この四分の一波長板からの光信号を受けて前記光検出器側に出射する直線偏光子とを備え、前記四分の一波長板の進相軸及び前記直線偏光子の偏光透過軸は、それぞれ所定方位の位置に固定されることを特徴とする請求項１記載の複屈折測定装置。
- 前記光源側の偏光素子は、前記光源からの光信号を受ける直線偏光子と、この直線偏光子からの光信号を受けて前記被測定試料側に出射する四分の一波長板とを有し、前記制御手段は、前記直線偏光子及び四分の一波長板を互いに所定の回転比を保ちつつ光軸回りに回転させる駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の複屈折測定装置。
- 前記処理手段は、前記光源側偏光素子の直線偏光子及び四分の一波長板の回転比を１対２としたときの当該直線偏光子の偏光透過軸及び四分の一波長板の進相軸の各方位をそれぞれθ及び２θとし、前記被測定試料の複屈折量及びその複屈折主軸の方位をそれぞれΔ及びφとし、前記光源で生成される光信号の光強度をａとし、前記光検出器により検出される光信号の光強度の内の前記直線偏光子の１回転θに対しｎ（ｎ＝２、６）倍周期で変化する正弦波成分及び余弦波成分の各振幅をそれぞれＳ（ｎ）及びＣ（ｎ）としたとき、前記被測定試料の複屈折量Δ及びその複屈折主軸の方位φを、
- 前記光源側の偏光素子は、前記光源からの光信号を受ける直線偏光子と、この直線偏光子からの光信号を受けて前記被測定試料側に出射する２つの四分の一波長板とを有し、前記制御手段は、前記２つの四分の一波長板を互いに所定の回転比を保ちつつ光軸回りに回転させる手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の複屈折測定装置。
- 前記処理手段は、前記２つの四分の一波長板の回転比を１対２としたときの当該２つの四分の一波長板の進相軸の方位をそれぞれθ及び２θとし、前記被測定試料の複屈折量及びその複屈折主軸の方位をそれぞれΔ及びφとし、前記光源で生成される光信号の光強度をａとし、前記光検出器により検出される光信号の光強度の内の前記四分の一波長板の１回転θに対しｎ（ｎ＝２、４、６、８）倍周期で変化する正弦波成分及び余弦波成分の各振幅をそれぞれＳ（ｎ）及びＣ（ｎ）としたとき、前記被測定試料の複屈折量Δ及びその複屈折主軸の方位φを、
- 前記光源側の偏光素子は、前記光源からの光信号を受ける直線偏光子と、この直線偏光子からの光信号を受けて前記被測定試料側に出射する２つの位相差可変の位相子とを有し、前記制御手段は、前記２つの位相子の位相差を互いに所定の割合で変化させる手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の複屈折測定装置。
- 前記処理手段は、前記２つの位相子の位相差を変化させる割合を１対２としたときの当該２つの位相子の位相差をそれぞれδ及び２δとし、前記被測定試料の複屈折量及びその複屈折主軸の方位をそれぞれΔ及びφとし、前記光源で生成される光信号の光強度をａとし、前記光検出器により検出される光信号の光強度の内の前記位相子の位相変化δに対しｎ（ｎ＝１、２、３）倍周期で変化する正弦波成分及び余弦波成分の各振幅をそれぞれＳ（ｎ）及びＣ（ｎ）としたとき、前記被測定試料の複屈折量Δ及びその複屈折主軸の方位φを、
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