JP4514430B2 - 液晶系偏光分析装置 - Google Patents
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Description
偏光解析器は強力な非侵襲性のプローブであり、反射または透過データを、サンプルから出る電磁線によって測定する。要するに、試験サンプルの表面を反射または透過光子ビームによって照射し、生ずるビームの偏光状態を入射ビームの偏光状態と比較する。
この通常の偏光解析方法は、反射光をさらに完全に偏光させた場合に(楕円偏光においてさえも)、満足し得ることが証明されており、なかんずく、平滑な界面を有する等方性層におけるのがまさにその例である。そのようなサンプルは、“ダイクロイック遅延子”(DR)とみなされ得、通常、下記の等式によって定義される偏光解析角(Ψ、Δ)に特徴を有する:
rp/rs
= tan(Ψ)exp(iΔ) (1)
(式中、rpおよびrsは、それぞれ、入射面(rp)またはこの面に垂直(rs)の線形偏光に対するサンプルの振幅反射率である)。
しかしながら、部分偏光解消性物質のようなDRとして説明できないサンプルを試験するには、もっと一般的な方法を必要とする。
偏光分析システムは、あらゆるサンプル中の光の偏光成分の全てを測定することを可能にしている。
この説明は、AzzamとBasharaの研究において見出し得る(非特許文献1参照)。
ストークスベクトルは、I、Q、UおよびV座標からなる。Iは、総強度を示し、他の成分は、種々の対の“相補的”偏光子(Qについては垂直および水平にセットし、Uについては+45°および−45°の方位角でセットした線形偏光子、また、Vについては左右円形偏光子)により測定した強度の差として定義される。
その場合、任意のサンプルと光の相互作用は、行列、いわゆる次元 4×4の、従って、16の実係数を有するミュラー行列によって表し得る。偏光分析測定中の16のパラメーターの抽出は、上記媒体の完全な特性決定を提供する。偏光解析角(Ψ、Δ)に特徴を有するDR(等式1参照)においては、ミュラー行列要素は、下記のとおりである:
‐上部対角線ブロック
M11 = M22 = τ、 M12 = M21 = -τcos(2Ψ)
‐下部対角線ブロック
M33 = M44 = τsin(2Ψ)cos(Δ)、 M34 = -M43
= τsin(2Ψ)cos(Δ)
他の要素:Mij = 0 (2)
上記において、追加のパラメーターτは、サンプルの透過または反射係数の全体的強度に比例している。本発明者等は、このミュラー行列が、
‐2つの実在の固有値:(λR1 = 2τsin2(Ψ)、λR2 = 2τcos2(Ψ))、および、
‐2つの複合共役固有値:
(λC1
= τsin(2Ψ)exp(iΔ)、λC2 = τsin(2Ψ)exp(-Δ)) (3)
を有することを指摘したい。
AMW (式中、AおよびWは、それぞれ、上記で定義した分析および変調行列であり、Mはサンプルのミュラー行列である)を形成する。AとWが既知であれば、Mは、生データBからM = A-1BW-1として抽出し得る。AおよびWの決定は、偏光分析計の較正と称される。明らかに、その装置は、AおよびWが単数でないような方法で設計しなければならない。さらにまた、生測定値Bから最終結果Mへの誤差伝搬を最適化するためには、分析行列Aと変調行列Wは、単一行列に“できる限り近く”なければならない。この点の最良の基準は、その単数値の最大値に対する最小値の比であるそれらの状態数s(A)およびs(W)を最適化することである(上記状態数を本明細書で定義した条件数の逆数として実際に定義している非特許文献2を参照されたい。さらに、非特許文献3も参照されたい)。
この種々の設計は、種々の特性をもたらしており、その幾つかは、互いに両立し得ない;例えば、光弾性モジュレーターのような共鳴装置による高周波偏光変調は、低周波ノイズの効率的な排除を可能にするが、典型的な電荷結合装置(CCD)のような低速検出器による画像形成用途においては、その場合、ストロボ照射を必要とする。画像形成用途におけるもう1つの重要な条件は、偏光分析素子が大きな十分な受容角を小さい十分な収差と共に示すことである。結果として、これらの条件を最良に満たす装置は、低位遅延板系
の装置(回転させるか(非特許文献13参照)、連続する測定間に出し入れする)、または液晶(LC)可変性遅延子系の装置である。
液晶電池(LC)は、電気制御型の低位遅延板である。そのような装置の2つのタイプが現在入手可能である。先ず、ネマチック液晶(NLC)は、10〜100 ms程度の典型的な応答時間を有する、低速および高速軸の固定配向による可変性遅延(位相遅れ)を提供する。一方、強誘電性液晶(FLC)は、固定遅延を提供するが、45°離れた2つの方位角間で、典型的には100μsよりも短い時間で電気的に切替え得る低速および高速軸方向による。
ストークス偏光分析、即ち、単独の偏光状態検出器を使用し偏光状態発生器を使用しない偏光分析も、太陽天文学において本質的に実施されてきている。この装置は、2つのネマチックLCとその後の線形偏光子(非特許文献15参照)、例えば、2つの強誘電性LC、2つの固定λ/8遅延板および1つの線形偏光子をふくむ幾分複雑なアッセンブリ(非特許文献16参照)、または1つの強誘電性LC、2つのネマチックLCおよび2枚の4分の1波長遅延板(非特許文献17参照)からなっている。
画像形成ミュラー偏光分析計は、ネマチックLC電池を使用することによって実現されている(非特許文献18参照)。この装置においては、PSGとPSDは、同じ設計を有する:その各々が1つのLCと1つの4分の1波長板からなり、後者は、生画像獲得の間で、光通路に機械的に出し入れする。この装置は、網膜および角膜のような人の目の偏光分析画像形成において使用されている。
第1に、それらの操作は、光通路の内外で回転させるかまたは移動させる光学素子類の機械的運動を含む。
第2に、それらの較正は、個々の光学部材(偏光子および遅延板)の特性決定に依存している。結果として、上記偏光分析計の全体的較正の精度は、各部材の知識およびその位置についての誤差の集積によって制約される。さらにまた、装置の形状は、殆どの場合、PSGにより発生させた偏光状態またはPSDにより“フィルター”された偏光状態が線形(垂直および水平)または円形状態のような“単純”な偏光状態であって、“混信”を減じ、そのシステムの全体的較正を容易にするような方法で形成される。これらの“単純”形状は、s(A)およびs(W)の最高値を与える形状とはかけ離れており、生データ(B)へのある種の入力ノイズについては、最終結果(M)でのそのノイズを最適化するにはほど遠いことを暗示している。
本発明のもう1つの目的は、同じ装置で使用でき且つ下記の利点を与える2つの測定方法を提供することである:
・単純化した操作方式における、DRを想定したサンプルの古典的な偏光解析角(Ψ、Δ)。さらに、この想定の正当性(サンプルの均質性、粗さ等に依存する)は、余分な測定を行うことなく自動的に検証されるが、通常の偏光解析計においては、この検証は、装置出力アームの機械的回転を要する。
・完全操作方式における、透過または反射での試験下でのあらゆるサンプルの完全ミュラー行列(M)。
誤差伝搬に関連するPSGまたはPSD形状の上記最適化は、PSGにより発生させた状態(およびPSDにより“フィルター”された状態)は、線形または円形のような“単純”な状態ではないことを暗示しており、従って、通常の校正方法は真に適切ではない。従って、本発明は、上述の2つのタイプの測定の各々における客観的な較正方法を含み、この較正方法は、即時で正確であり、迅速であり、実施が容易である。
‐光ビームを発出する励起領域であって、入射光ビームを偏光の方向(i)に沿って線形に偏光させる偏光子を含む偏光状態発生器を含む前記励起領域、
‐分析器と検出手段を含む偏光状態検出器を含む分析領域、および
‐プロセッシング装置。
本発明によれば、
・上記偏光状態発生器(PSG)は、第1および第2の液晶素子LCj (j = 1,2)を含み、上記PSGの各LCj素子においては、偏光方向(i)に対して角度θj
をなす異常軸および通常軸と異常軸間の位相遅れδjを有する。上記液晶(LC)素子は、上記偏光子の後に置かれて、電気制御型遅延板と等価である。
・上記偏光状態検出器(PSD)は、第1および第2の液晶素子LCj (j = 1,2)を含み、上記PSDの各LCj素子においては、偏光方向(i)に対して角度θ’j をなす異常軸および通常軸と異常軸間の位相遅れδ’jを有する。電気制御型遅延板と等価である上記液晶LCj素子は、上記PSGのLCj素子に対して、PDS内で逆の順序で位置させる。
第1の実施態様においては、上記偏光状態発生器(PSG)と偏光状態検出器(PSD)は、各々、第1および第2のネマチック液晶素子NLCj (j = 1,2)を含む。上記PSGの各NLCj 素子において(または、上記PSDの各NLCj素子において)、上記異常軸が上記PSGの入力偏光子(または、上記PSDの出力分析器)の方向に対し固定方位角θj (または、θ’j)をなす。NLCjの通常軸と異常軸間の位相遅れδj (または、δ’j)は、電気制御によって変化させる。
‐変調行列および分析行列の条件数s(W)およびs(A)の同時の適正化においては、方位角θ’jはθjに等しく(j =1、2)、位相遅れδ’jは、-δjに等しい(j =1、2)。(2πを法として)。
‐適切な駆動電圧により、対の位相遅れ(δ1、δ2)は、順次、次の値:(Δ1、Δ1)、(Δ1、Δ2)、(Δ2、Δ1)、(Δ2、Δ2)を取る。Δ1およびΔ2は、それぞれ、式(315°+ p 90°)および(135°+ p 90°)を満たし、pは、両式において同じ整数である。
‐角θ1およびθ2は、それぞれ、式(θ1 = ε27°+ q 90°)および(θ2 = ε72°+ r 90°)を満たし、ε= ±1は両等式において同じ値であり、qおよびrは、任意の整数であり、角θiおよび位相遅れΔiの許容度は、それぞれ、±10°および±20°に等しい。そのような許容度において、条件数s(A)およびs(Wは、最高値(
‐分光分析用途においては、即ち、可変波長での操作においては、モノクロメーターを上記PSGの偏光子の前または上記PSDの分析器の後に置き、位相遅れ(δ1、δ2)の値を、そのモノクロメーターを通る波長に従って制御電圧の振幅を単純に切替えることによって上述の境界内に保つ。現在入手可能なNLC類は、400 nm〜1500 nmで典型的に使用し得る。
+ 45°、θ2 + 45°)に順次セットする。
‐変調行列および分析行列の条件数s(W)およびs(A)の同時の適正化においては、方位角θ’jはθjに等しく(j =1、2)、位相遅れδ’jは、-δjに等しい(j =1、2)。(2πを法として)。
‐上記位相遅れ(δ1、δ2)は、δ1
= 80°± 15°およびδ2
= 160°± 15°によって示され、一方、上記方位角(θ1、θ2)は、θ1 = 67°± 10°およびθ2 = 160°± 40°によって示される。これらの値と許容度によれば、ここでも、条件数s(A)およびs(W)は、最高値(
‐分光分析用途においては、即ち、可変波長での操作においては、上記位相遅れ(δ1、δ2)の値がネマチック液晶に関しては電気的に制御できないので、条件数s(W)およびs(A)を、線形偏光子と2つのFLCのみしか含まないPSG(または、PSD)においては、可視物全体に亘って0.3よりも高く保つことができない。しかしながら、強誘電性液晶類の典型的な複屈折分散により、現在入手可能なFLC類がカバーするスペクトル全体(典型的に、420〜800 nm)における > 0.3の条件数s(W)およびs(A)のそのような広帯域最適化は、本装置に、もう1つの複屈折固定素子(遅延板)を加えることによって達成される。そのような最適化の例を、2つのFLC間に挿入した石英プレートによって、以下に説明する。その場合、広帯域強誘電系PSGは、下記を含む:
‐方位角θ = 0にセットした線形偏光子、
‐方位角θ1 = -10°± 5°にセットした、510 nmで位相遅れδ1
= 90°± 5°を有する第1の強誘電性液晶、
‐方位角θQ = 5°± 5°にセットした、633 nmで位相遅れδQ
= 90°± 5°を与える石英プレート、
‐方位角θ2 = 71°± 10°にセットした、510 nmで位相遅れδ2
= 180°± 15°を有する第2の強誘電性液晶。
この偏光分析装置は、PSDの分析器の後に置き且つ多点検出器(典型的には、CCD)を備えた分光分析器と最も好都合に結合し、偏光分析を、現在入手可能なFLC素子によって形成され且つ将来新しいFLC材料によって拡大される可能性のあるスペクトル範囲全体において同時に実施可能にする。
・上記偏光分析装置は、偏光解析器である。
・上記偏光分析装置は、ミュラー行列の16の係数によって示されるサンプルを分析するためのミュラー偏光分析装置である。
・励起領域により発出させた光ビームは、ネマチック液晶類においては400〜1500 nm、現在入手可能な強誘電性液晶類においては420〜800 nmのスペクトル範囲にある。このスペクトル範囲は、本発明の範囲において説明した種々の実施態様において、新規なLC材料により、UVにさらにはIR中に拡大する可能性がある。
・励起領域は、上記PSGの偏光子の前に位置させたモノクロメーターを含む。
・上記検出手段は、上記プロセッシング装置と偏光分析画像形成に対して適応させた単一検出器または多点感光性検出器のいずれかを含む。
・上記多点感光性検出器は、電荷結合検出器(CCD)である。
分光分析用途においては、上記検出手段は、スペクトル範囲全体に亘って偏光分析を同時に達成するための、上記PSDの分析器の後に置き且つ好ましくはCCDと結合させた分光分析計を含み得る。
また、本発明は、
・少なくとも1個の参照サンプルを、偏光子を含む偏光状態発生器(PSG)によって発出させた偏光入射光ビームで照射すること、上記PSGが光ビームの偏光を変調させること;
・上記サンプルが測定ビームを透過または反射させること;
・上記測定ビームを、分析器および検出手段を含む偏光状態検出器(PSD)を含む分析領域によって検出すること;および、
・上記検出手段により発生させた電気信号をプロセッシング装置によって処理すること;
からなる少なくとも1個の参照サンプルを測定すること含む偏光分析装置の較正方法にも関する。
本発明によれば、
・上記PSGが上記偏光子の後に位置させた第1および第2の液晶素子LCj (j = 1、2)を含み、上記各LCj素子がその通常軸と異常軸間で位相遅れδjを有し、上記異常軸が上記線形偏光子により形成された偏光方向に対して角θjをなして、上記各LCj素子がネマチックLCである場合には、各LCj素子の位相遅れδjを上記θj角の固定値に対して変化させることにより、或いは上記各LCj素子が強誘電性LCである場合には、上記方位角θjを切替えることにより、前記入射光ビームの偏光を変調させるようにし、上記PSGは単数ではない変調行列(W)を有する;
・上記PSDが上記分析器の前に位置させた第3および第4の液晶素子LC’j (j = 1、2)を含み、上記各LC’j素子は上記PSGの各LCj素子と同じであるが、逆の順序に位置させて、上記各LC’j素子がネマチックLCである場合には、各LC’j素子の位相遅れδ’jを上記θ’j角の固定値に対して変化させることにより、或いは上記各LC’j素子が強誘電性LCである場合には、方位角θ’jを固定δ’jに対して切替えることにより、上記分析領域において単数ではない検出行列(A)を発生させるように、且つ、与えられた位相遅れセット(δj、δj) (j = 1、2)においてまたは与えられた方位角(θj、θj)において、測定量(Dn)を発生させるように、且つ、上記プロセッシング装置が生データ行列 B = AMW ((M)は、サンプルのミュラー行列である)を発生させるようにする。
‐単純化(偏光解析)操作方式においては:古典的な偏光解析角度(Ψ、Δ)、並びに、反射において測定した等方性非偏光解消性表面のような、DRに光学的に等価のサンプルを特性決定する全体的透過(または反射)係数τ。この測定手順は、上記サンプルのDRとしての説明の正当性を、上記装置に何ら移動部材を必要とすることなく、チェックすることを含むが、通常の偏光解析計においては、この正当性を、分析アームを90°まで回転させることによってしかチェックできない。
‐完全(ミュラー偏光分析)操作方式においては:16係数を有するあらゆるサンプルの完全ミュラー行列(M)。
即ち、上記較正方法は、下記を含む:
・単純化(偏光解析)操作方式において:
‐ダイクロイック遅延子(DR)を想定したサンプルの透過での偏光解析測定においては、既知の各パラメーターτ0、Ψ0およびΔ0を有するミュラー行列(M0)によって形成されたDRからなる参照サンプルの完全測定を行い、上記参照サンプルは空気中の伝搬であり、(M0)が、その場合、単位行列(I0)であり、上記測定によって参照生データ行列B0 = AM0Wを得る。
‐ダイクロイック遅延子(DR)を想定したサンプルの反射での偏光解析測定においては、既知の各パラメーター(τ0、Ψ0、Δ0)を有するミュラー行列(M0)によって形成されたDRからなる参照サンプルの完全測定を行い、上記参照サンプルが反射方式のシステム作動における金属ミラーまたは既知のサンプル(既知の厚さの酸化物で被覆したシリコン製のNISTサンプルのような)であり、上記の測定によって参照生データ行列B0
= AM0Wを得る。
‐各パラメーター(τp、Ψp、Δp)によって形成されたおおよそ既知のミュラー行列(Mp)を有するダイクロイック遅延子を含む参照サンプル素子セット(p)を選択する、これらの素子の1つは空気中の伝搬を説明する単位行列(I0)である;
‐参照サンプル(p)の各々において、方位角θpにセットした上記サンプルの完全測定を、入射光の偏光を変調させ、得られる偏光を分析することによって測定する、上記プロセッシング装置を使用して行列(AR(-θp)MpR(θp)W)を構築する、この行列は、検出行列(A);方位角θpにセットし、R(θ)、即ち、z軸の周りの角θまでの回転を説明する行列を有する上記素子pのミュラー行列(R(-θp)MpR(θp));および変調行列(W)との積である;
‐各参照サンプルpにおいて、積(AI0W)-1(AR(-θp)MpR(θp)W)を算出して、実験行列(Cp)を得る、そして、Mpを、即ち、より正確には、角θpに依存しないその各パラメーターτp、ΨpおよびΔpの値を、Mpの固有値に等しいCpの固有値から決定する、このことは、較正中自体において、現場での各サンプルの極めて正確な特性決定を可能にする;
‐下記の等式に等しい行列(Ktot(θp))を構築する:
‐(Ktot(θp))行列の固有値λi (i = 1〜16)を決定してKtot(W) = 0を示す変調行列(W)を抽出する、上記p参照サンプルを、1つおよび1つのみのλi固有値が、Ktot(θp)の算出において使用する角(θp)を較正測定中にその現実の値に等しいようにセットしたときに消去し、一方、値の低い順序でソートされる他の固有値λjがZ = λ15/λ1
< 1を示し、比Zを最大化するように選択する;
‐このことは、変調行列W(全ての角θpと一緒に)を、下記の行列等式のセットの特異な解答として決定することと等価である:
Mp(θp)X-XCp (8)
‐検出行列(A)を、積(AI0W)(W-1)を構築することによって決定する。
・参照サンプルセットは、下記を含む:
‐θ1 = 0°配向にセットした線形偏光子、
‐θ2 = 90°± 5°配向にセットした線形偏光子、
‐θ3 = 30°± 5°にセットした位相遅れδ = 110°± 30°を有する遅延板。
・分光分析用途においては、上記遅延板は、無彩色4分の1波長板である。
b) 反射において作動するシステムの完全(ミュラー偏光分析)操作方式において:
‐ミュラー行列Mpoiにより形成された線形偏光子と、第1のDR1および第2のDR2ダイクロイック遅延子を含む参照サンプルセットを選択する。上記DRiは、それぞれ、i = (1、2)でありおおよそ既知の各パラメーター値τi、Ψi、Δiを有するミュラー行列(Mi)を有する。
‐下記の順序の各素子により、入射光の偏光を変調させ、得られる偏光を分析することによって測定する。方位角(θ = 0)の起源を入射面において採る:
・測定行列 B1 = AM1Wを与える、θ= 0にセットしたDR1単独、
・測定行列 B2 = AM2Wを与える、θ= 0にセットしたDR2単独、
・測定行列 Bp1 = AM1R(-θ1)MpoiR(θ1)W
(式中、R(θ)は、z軸の周りの角θまでの回転を説明する行列である)を与える、θ= 0にセットし、方位角θ1にセットした偏光子より前のDR1、
・測定行列 Bp2 = AR(-θ2)MpoiR(θ2)M1Wを与える、θ= 0にセットし、方位角θ2にセットした上記偏光子の後のDR1;
‐積 C1 = B2 -1B1およびC2 = B1B2-1を算出し、次いで、行列N1 = M2 -1M1およびN2 = M1M2-1をC1およびC2の固有値と同じであるその固有値により算出する。
N1およびN2は、θ= 0での定義によって配向されるDRのミュラー行列の形を現実に有する。
‐16×16実行列K1(θ1)を、K1(θ1)
= H1 TH1 + Hp1(θ1)THp1(θ1)
(式中、任意の4×4実行列Xにおいて、H1[X]およびHp1(θ1)[X]は、H1[X] = N1X-XC1およびHp1(θ1)[X] = N1Mpoi(θ1)X-XCp1として定義する)として構築する。
‐変調行列Wおよび方位角θ1を、K1(θ1)が1個の消去性固有値を有し且つWがこの消去性固有値に関連するベクトルであることを条件として決定する。
‐16×16実行列K2(θ2)を、K2(θ2)
= H2 TH2 + Hp2(θ2)THp2(θ2)
(式中、任意の4×4実行列Xにおいて、H2[X]およびHp2(θ2)[X]は、H2[X] = C2X-XN2およびHp2(θ2)[X] = Cp2X-XMpoi(θ2)N2として定義する)として構築する。
‐分析行列Aおよび方位角θ2を、K2(θ2)が1個の消去性固有値を有し且つAがこの消去性固有値に関連するベクトルであることを条件として決定する。
‐参照サンプルを、下記の基準に従って選択する:
・16×16の実在対称行列K1(θ1)およびK2(θ2)が、上記サンプルの評価に使用する角θ1およびθ2が上記較正測定中に上記偏光子の方位角に等しい場合および場合のみに、1つの消去性固有値のみを有すること、
・次に固有値ができる限り大きいこと、即ち、より正確には、K1およびK2の最大(λ1)固有値に対する最小非消去性固有値(λ15)の比Z =λ15/λ1ができる限り大きいこと。
・参照サンプルセットは、
‐θ1 = 45°± 5°にセットした線形偏光子;
‐θ2 = -45°± 5°にセットした線形偏光子;および、
‐共に入射面に対してθ = 0で配向し、積M2 -1M1およびM2 -1M1がΨ = 45°± 30°およびΔ = 90°± 10°を有するDRのミュラー行列であるようなミュラー行列M1およびM2を有する第1のDR1および第2のDR2ダイクロイック遅延子と等価である1対のサンプル。
・分光分析用途においては、上記参照サンプルは、金属ミラーを含む。
・分光測定応用においては、上記参照サンプルは、金属ミラーの前または後に置いた入射面内の1つの軸によって配向させた無彩色4分の1波長板を含む。
また、本発明は、適切な装置較正後に下記を与える2つの測定方法にも関する:
・偏光解析方式における、ダイクロイック遅延子(DR)を想定したサンプルの各パラメーター(τ、Ψ、Δ);
・完全偏光分析方式における、任意のサンプルのミュラー行列(M)。
両測定方法は、すべての場合において、下記を含む:
・偏光方向(i)に沿って線形に偏光させた入射光ビームを発出させること;
・入射ビームの偏光を変調させること;
・変調させた入射ビームをサンプルに送り、測定ビームを返送させること;
・測定ビームを、偏光分析領域を通して集めること;
・偏光分析領域の後の測定ビームを検出し、生データ行列 B = AMMを構成する電気信号を処理すること;
・上記電気信号をプロセッシング装置に伝送すること。
・上記入射ビームの偏光を、2つの液晶素子LCj (j = 1,2)により、該液晶(LC)が強誘電性LC (FLC)を含む場合の線形偏光子の偏光方向(i)に対する異常軸の角度方向θjまたは該LCがネマチックLC (NLC)を含む場合の固定配向での位相遅れδjのいずれかを変化させることによって変調させること;
・測定量(Dn)を、2つの液晶素子LC’j (j = 1,2)を含む分析領域により、該LCがNLCである場合にはθ’j角の固定値に対して各素子の位相遅れδ’jを、或いは該LCがFLCである場合には位相遅れδ’j (j = 1、2)の固定値に対して方位角θ’jの値を変化させることによって発生させること。
上記生データBは、その後、下記のようにして加工する:
・偏光解析方式において:
‐行列C = B0 -1B = W-1M0 -1MWを算出する(B0 = AM0W は、較正サンプルにおいて得た生データ行列である)。Cの固有値はM0 -1Mの固有値と同じであり、DRのミュラー行列と同じ形を有する。結果として、これら固有値の2つ(λR1とλR2)は真に正であり、他の2つ(λC1とλC2)は複合共役体である。
‐試験したサンプルの各偏光解析パラメーター(τ、Ψ、Δ)を、下記の等式:
‐下記の関係式:
・完全偏光分析方式において:
‐あらゆるサンプルのミュラー行列Mを、M = A-1BW-1としての生データ行列Bから算出する。
上記励起領域1は、上記光ビーム2を通す偏光状態発生器4(PSG)を備えている。この偏光状態発生器4は、光ビーム2を偏光方向(i)に沿って線形に偏光させる偏光子5を備えている。
第一光学手段6は、サンプル7における上記光ビーム2のジオメトリーを規定する。
上記分析領域3は、分析器9、および上記光ビーム2を検出するための検出手段10を有する偏光状態検出器8(PSD)を備えている。
本偏光分析システムはまた、上記液晶素子13、14を制御する制御手段を備えている。
数学的表現においては、偏光状態発生器4の液晶素子LCj13は、偏光状態発生器4の出口における光ビーム2のストークス ベクトル(S)が下記の式によって与えられるようにして、偏光の調整を行う。
ここで、Dδjθjは、LCj素子(j=1,2)のミュラー行列である。位相遅れ(δ1、δ2)または角度(θ1、θ2)の4対のセットが、上記LC(複数)の制御手段によって連続的に規定され、従って、4つの線形で独立のストークス ベクトルが非偏光光源から作り出される。
NLC(複数)での好ましい実施態様では、方位角θ’j(j=1,2)は、θj(j=1,2)に等しく、位相遅れδ’j(j=1,2)は、−δj(j=1,2)に等しい(モジュール(modulo)2π)。
q 90°)および(72°+ r 90°)を満たし、ここで、ε= ±1は両等式において同じ値であり、qおよびrは、任意の整数であり、方位角θi位相遅れδiはそれぞれ±10°、±20°の許容度を有する。この実施態様は、コンディション番号 s(W)およびs(A)を同時に最適化することを可能にする。AおよびWの両行列は、唯一のものではない。
FLC(複数)での好ましい実施態様においては、FLCの異常軸は、PSG4の入射偏光子5(PSDの出射分析器9)の方向に対して一対の方位角(θ1,θ2)(θ’1,θ’2)をなし、そして、適切な電子制御装置によって、これらの角度は、順次、(θ1、θ2)、(θ1 + 45°、θ2)、(θ1、θ2
+ 45°)、(θ1 + 45°、θ2 + 45°)にセットされる。方位角θ’jは、変調分析行列のコンディション番号s(W)およびs(A)の同時適正化のために、θj(j=1,2)に等しく、位相遅れδ’jは、−δj(j=1,2)に等しい(モジュール(modulo)2π)。位相遅れδiは、δ1=80°±15°、δ2=160°±15°で与えられ、一方、方位角θiは、θ1=67°±10°、θ2=160°±40°で与えられる。
‐方位角θ = 0にセットした線形偏光子、
‐方位角θ1
= -10°± 5°にセットした、510 nmで位相遅れδ1 = 90°± 5°を有する第1の強誘電性液晶、
‐方位角θQ = 5°± 5°にセットした、633 nmで位相遅れδQ = 90°± 5°を与える石英プレート、
‐方位角θ2
= 71°± 10°にセットした、510 nmで位相遅れδ2 = 180°± 15°を有する第2の強誘電性液晶、
を備えている。
上記励起領域1は、上記光ビーム2を通す偏光状態発生器4(PSG)を備えている。この偏光状態発生器4は、光ビーム2を偏光方向(i)に沿って線形に偏光させる偏光子5を備えている。第一光学手段6は、上記光ビーム2をサンプル7に焦点させる。
本偏光分析システムはまた、上記液晶素子13、14を制御する制御手段を備えている。
本発明は、CCDカメラによる偏光イメージングのために適用することも有効である。
図3および図4は、633nmの伝達において目盛りを付けられ、作動されたネマチック液晶に基づく偏光分析システムによって得られた結果を示す。テストサンプルは、Ψニヤリーイコール45°であり、補償ミクロメトリック スクリューのセッティングの線形ファンクションが位相遅れΔであるダイクロイック遅延器(DR)と考えることができる高品質バビネット−ソールイル補償器である。補償ミュラー行列の16の要素は、このスクリューの異なったセッティングのために測定された。
2 光ビーム
3分析領域
4 偏光状態発生器
5 偏光子
8 偏光状態検出器
9 分析器
10 検出手段
Claims (14)
- ‐光ビームを発出する励起領域(1)であって、入射光ビーム(2)を偏光方向(i)に沿って線形に偏光させる偏光子(5)を持つ偏光状態発生器(4)を含む前記励起領域(1)、
‐分析器(9)と検出手段(10)を持つ偏光状態検出器(8)を含む分析領域(3)、および
‐プロセッシング装置(11)を含み;
前記偏光状態発生器(4) および偏光状態検出器(8)が、各々、第1および第2の液晶素子(13、14)LCj (j = 1,2)を含み、該第1および第2の液晶素子(13、14)は、それぞれ前記液晶素子(13)については、偏光方向(i)に対して角度θjをなす異常軸を有すると共に、通常軸と異常軸の間の位相遅れδjを有し、前記液晶素子(14)については、偏光方向(i)に対して角度θ’jをなす異常軸を有すると共に、通常軸と異常軸の間の位相遅れδ’jを有し、そして、前記第1および第2の液晶素子(13、14)は、前記偏光状態発生器(4)の液晶素子(13)LC1、前記偏光状態発生器(4) の液晶素子(13)LC2、前記偏光状態検出器(8)の液晶素子(14)LC’ 2、前記偏光状態検出器(8)の液晶素子(14)LC’1の順序で配置されており、さらには、前記方位角θ’jはθjに等しく(j = 1、2)、前記位相遅れδ’jは-δjに等しい(j = 1、2)、(2πを法として);
ことを特徴とするサンプル分析用の偏光分析装置。 - 前記各液晶素子(13、14)LCj (j = 1,2)がネマチック(NLC)液晶であり、前記偏光分析装置が、各NLCに対して前記位相遅れδjおよびδ’jを変化させることによって偏光変調を可能にする電子制御装置を含む、請求項1記載の偏光分析装置。
- 前記各液晶素子(13、14)LCj (j = 1,2)が強誘電性(FLC)液晶であり、前記偏光分析装置が、各FLCに対して前記方位角θjおよびθ’jを変化させることによって偏光変調を可能にする電子制御を含む、請求項1記載の偏光分析装置。
- ‐対の位相遅れ(δ1、δ2)を、次の順序(Δ1、Δ1)、(Δ1、Δ2)、(Δ2、Δ1)、(Δ2、Δ2)で変化させ、Δ1およびΔ2は、それぞれ、式(Δ1 = 315°+ p 90°)および(Δ2 = 135°+ p 90°)を満たし、pは、両式において同じ整数であり、±20°の許容度を有し;
‐方位角θ1およびθ2は、それぞれ、式(θ1 = ε27°+ q 90°)および(θ2 = ε72°+ r 90°)を満たし、ε= ±1は両等式において同じ値であり、qおよびrは、任意の整数であり、±10°の許容度を有する;
請求項1または2記載の偏光分析装置。 - ‐前記各異常軸の方位角を、順次、(θ1、θ2)、(θ1 + 45°、θ2)、(θ1、θ2 + 45°)、(θ1 + 45°、θ2 + 45°)にセットし;
‐前記位相遅れ(δ1、δ2)がδ1 = 80°± 15°およびδ2 = 160°± 15°を満たし、一方、前記方位角(θ1、θ2)がθ1 = 67°± 10°およびθ2 = 160°± 40°によって示される;
請求項1または3記載の偏光分析装置。 - 前記偏光分析装置が一定範囲の波長に適し得、固定位相差板(17、18)を前記PSGおよびPSD双方の前記各2つのFCL間に設ける、請求項5記載の偏光分析装置。
- 前記偏光分析装置を420 nm〜800 nmのスペクトル範囲に対して適正化し、前記遅延板が石英プレートであり、PSGが、
‐方位角θ = 0にセットした線形偏光子、
‐方位角θ1 = -10°± 5°にセットした、510 nmで位相遅れδ1 = 90°± 5°を有する第1の強誘電性液晶、
‐方位角θQ = 5°± 5°にセットした、633 nmで位相遅れδQ = 90°± 5°を与える石英プレート、
‐方位角θ2 = 71°± 10°にセットした、510 nmで位相遅れδ2 = 180°± 15°を有する第2の強誘電性液晶、
を含む、請求項6記載の偏光分析装置。 - 前記偏光分析装置が偏光解析器である、請求項1〜7のいずれか1項記載の偏光分析装置。
- 前記偏光分析装置が、サンプル(7)をそのミュラー行列の16の係数を測定することによって分析するミュラー偏光分析装置である、請求項1〜7のいずれか1項記載の偏光分析装置。
- 前記励起領域により発出された光ビーム(2)が、ネマチック液晶においては400〜1500 nm、強誘電性液晶においては420〜800 nmのスペクトル範囲にある、請求項1〜9のいずれか1項記載の偏光分析装置。
- 前記励起領域(1)が、前記偏光状態発生器(4) (PSG)の前に位置したモノクロメーターを含む、請求項1〜10のいずれか1項記載の偏光分析装置。
- 前記検出手段(10)が、前記PSDの後に置いたモノクロメーターを含む、請求項1〜10のいずれか1項記載の偏光分析装置。
- 前記検出手段(10)が、前記プロセッシング装置(11)によって偏光分析画像形成に適応させた多点で光を検出する検出器を含む、請求項1〜12のいずれか1項記載の偏光分析装置。
- 前記多点感光性検出器が電荷結合検出器(CCD)である、請求項13記載の偏光分析装置。
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