JP4779124B2 - 光学特性計測装置及び光学特性計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象の光学特性を測定する光学特性計測装置及び光学特性計測方法に関するものである。

近年、液晶をはじめとする高分子材料の研究開発分野において、測定対象の光学特性、特に、複屈折分散に起因する複屈折位相差の波長依存性及び主軸方位についての計測技術の開発が求められている。

従来、高分子材料の複屈折分散特性を計測する計測方法として、波長を走査して測定する技術（特許文献１参照）、波長板と偏光子を回転させ、波長依存性なく一度に複屈折分散特性と主軸方位を測定する技術（特許文献２参照）、液晶ディスプレイの生産ラインに対応するため、面で複屈折分散特性を測定できる技術（特許文献３参照）などがある。
特開２００３−１７２６９１号公報 特開２００５−２４１４０６号公報 特開２００５−２５７５０８号公報

しかし、従来の複屈折位相差の計測方法を、複屈折位相差の波長依存性の計測に適用する場合に、波長毎に測定系の光学素子や位相シフト量を設定する必要があり、一回かつ短時間でその計測を行うことは困難であった。

また、特許文献１及び３では、測定対象の複屈折位相差と主軸方位とをそれぞれ別々の手法で計算する必要があり、測定対象の複屈折位相差と主軸方位とをまとめて計算することも困難であった。

また、特許文献２においては、測定中に光学系の一部を回転駆動しながらその測定を行うため、測定対象に対する１回の測定光の授受により、所定の波長領域での複屈折計測を一度に行うこと、すなわち１ショットでの計測はできないという問題があった。

本発明は、係る課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、１回の測定により、測定対象の主軸方位や、所与の波長領域での複屈折位相差等の光学特性要素を算出することができ、特に必要に応じて、１回の測定光の授受により対象物の主軸方位及び所定波長領域での複屈折位相差の双方の計測を可能とする光学特性計測装置及び光学特性計測方法を提供することにある。

（１）上記課題を達成するため、本発明に係る光学特性計測装置は、
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置であって、
複屈折位相差が既知でその値が互いに異なる第１及び第２のキャリアリターダを有し、所定の帯域成分を含む光を第１の偏光子及び前記第１のキャリアリターダを介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２のキャリアリターダ及び第２の偏光子を介して受光分光手段に入射させる光学系と、
前記受光分光手段で検出される光強度信号を解析処理することにより得られる周波数スペクトルから、複数のピークスペクトルを抽出する処理を行うスペクトル抽出処理と、前記複数のピークスペクトル及び前記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差に基づき、前記測定対象の光学特性を表す光学特性要素を算出する光学特性要素算出処理とを行う演算処理手段と、
を含む。

本発明によれば、複屈折位相差が既知でその値が互いに異なる第１及び第２のキャリアリターダを有する光学系において、所定の帯域成分を含む光を測定対象によって変調させる構成を採用する。

これにより、受光分光手段で検出される測定光の光強度信号を解析処理すると、これにより得られる周波数スペクトルには、前記第１及び第２のキャリアリターダの主軸方位及び複屈折位相差、並びに、測定対象の光学特性を反映した複数のピークスペクトルが含まれることになる。

従って、この周波数スペクトルからピークスペクトルを抽出すれば、そのピークスペクトルは、測定対象の光学特性要素を変数として含む所与の理論式で表すことができる。

ここで、前記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差は予め判明しているため、前記２つのピークスペクトル及び前記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差を、前記理論式に代入することにより、測定対象の光学特性要素を演算により求めることができる。

特に、本発明によれば、所与の帯域成分を含む測定光の１回の測定により、測定対象の光学特性要素を求めることができるという、いわゆる１ショット測定が可能となるため、測定対象の光学特性を簡単な構成でかつ短時間で測定することが可能となる。

なお、光学特性要素とは、測定対象の光学特性を表す種々の要素を指す。例えば、測定対象の主軸方位や、複屈折位相差、ミュラーマトリクス等の光学特性を表す行列の各行列要素、二色性等が挙げられる。すなわち、本発明に係る計測装置では、これらの光学特性要素のうち、いずれか１つ又は複数の光学特性要素を算出することができる。そして、本発明に係る計測装置では、光学特性要素を算出することで、測定対象の光学特性を計測することが可能になる。

また、本発明では、光学特性計測装置を、解析処理としてフーリエ解析処理を適用し、光透過性を有する測定対象の主軸方位及び複屈折位相差を計測する計測装置（光学特性計測装置）として構成してもよい。

この場合、計測装置は、
光透過性を有する測定対象の複屈折特性を計測する複屈折特性計測装置であって、
複屈折位相差が既知でその値が互いに異なる第１及び第２のキャリアリターダを有し、所定の帯域成分を含む光を第１の偏光子及び前記第１のキャリアリターダを介して前記測定対象に透過させ、その透過光を前記第２のキャリアリターダ及び第２の偏光子を介して受光分光手段に入射させる光学系と、
前記受光分光手段で検出される光強度信号をフーリエ解析処理することにより得られるフーリエスペクトルから、２つのピークスペクトルを抽出する処理を行うスペクトル抽出処理と、前記抽出された２つのピークスペクトル及び前記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差に基づき、前記測定対象の主軸方位及び前記所定の帯域成分での複屈折位相差の少なくとも一方を算出する複屈折特性演算処理を行う演算処理手段と、
を含む構成としてもよい。

（２）また、本発明において、
前記演算処理手段は、
前記光学特性要素算出処理に先立って、前記光学系に前記測定対象が無い状態で前記スペクトル抽出処理を行い、前記抽出された複数のピークスペクトルに基づき、前記第１及び第２のキャリアリターダの前記複屈折位相差の値を、前記既知の値として求める構成を採用してもよい。

上記構成を採用することにより、前記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差が既知でない場合であっても、光学系に測定対象がない状態で、前述した１ショットの測定を行うことにより、第１及び第２のキャリアリターダの所定の波長帯域における複屈折位相差を演算により求めることができる。

従って、このようにして求めた第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差を、既知の値として、演算処理手段の所与の記憶手段内に記憶しておくことにより、測定対象の光学特性の計測を行うことができる。

（３）また、本発明において、
前記光学系は、
前記第１の偏光子の主軸方位を基準として、前記第２の偏光子の主軸方位が、時計方向又は反時計方向の一方に４５度の奇数倍の角度差を有するように設定され、
前記第１のキャリアリターダの主軸方位を基準として、前記第２のキャリアリターダの主軸方位が前記一方に４５度の奇数倍の角度差を有するように設定され、さらに、
前記第１の偏光子の主軸方位を基準として、前記第１のキャリアリターダの主軸方位が前記一方に４５度の奇数倍の角度差を有するように設定されていてもよい。

上記構成を採用することにより、簡単な演算式で、測定対象の光学特性を求めることができる。

（４）また、本発明において、
前記演算処理手段では、
前記スペクトル抽出処理で抽出された前記複数のピークスペクトルの実数成分及び虚数成分を求め、前記ピークスペクトルの前記実数成分及び虚数成分と、前記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差に基づき、前記光学特性要素算出処理を行ってもよい。

これにより、測定対象の光学特性要素を簡単に求めることができる。

より具体的には、計測装置は、フーリエ解析処理を利用して、測定対象の複屈折位相差及び主軸方位を計測する装置として構成されていてもよい。この場合、計測装置は、
前記スペクトル抽出処理において、
受光分光手段で検出される光強度信号Ｉ（ｋ）を波数ｋに対しフーリエ解析処理することにより次式のフーリエスペクトルを求め、

前記フーリエスペクトルから、２つのピークスペクトルＣ_α−β（ν），Ｃ_α＋β（ν）を抽出する処理を行い、
前記複屈折特性演算処理において、
前記２つのピークスペクトルＣ_α−β（ν），Ｃ_α＋β（ν）を次式に基づきフーリエ解析処理し、

各ピークスペクトルの実数成分Ｒｅと虚数成分Ｉｍ及び前記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差に基づき、ａｍｐ_α−β，φ_α−β，ａｍｐ_α＋β，φ_α＋βは、

と表すことができ、
上記のａｍｐ_α−β（ｋ），φ_α−β（ｋ），ａｍｐ_α＋β（ｋ），φ_α＋β（ｋ）を用いると、ａ_α−β（ｋ），ａ_α＋β（ｋ），ｂ_α−β（ｋ），ｂ_α＋β（ｋ）は、

と書き表すことができることを利用して、
次式に基づき、

前記測定対象の複屈折位相差Δ（ｋ）と主軸方位θを演算する構成を採用してもよい。

これにより、複屈折位相差、主軸方位の演算を簡単に行うことができる。

（５）また、本発明において、
前記光学系は、
記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差をαδ、βδとすると、（α＋β）と（α−β）の比が２以上又は１／２以下の値となるように、両者の複屈折位相差が設定されている構成を採用してもよい。

このような設定をすることにより、ピークスペクトルの周波数の差を十分広くすることができる。そのため、測定対象の光学特性をより正確に測定することができる。

（６）また、本発明において、
前記受光分光手段は、２次元配列された複数の受光部を有し、
前記光学系は、
前記所定の帯域成分を含む光を前記測定対象の所定領域に入射させるように、かつ、
前記測定対象によって変調された前記光を前記複数の受光部に入射させるように構成されてなり、
前記演算処理手段は、
前記受光部毎に、前記スペクトル抽出処理及び前記光学特性要素算出処理を行い、前記測定対象の前記所定領域での光学特性要素を算出する構成を採用してもよい。

このように、測定光、すなわち測定対象を透過した透過光を受光分光手段の２次元配列された受光部に入射させ、各受光部毎に、前記スペクトル抽出処理及び光学特性要素算出処理を行うことにより、測定対象の所定領域での複屈折位相差を１ショット測定で簡単に行うことができる。

特に、本発明によれば、所定の広がりをもった測定光を測定対象の所定の幅または面積をもった領域に通過させることにより、当該領域における光学特性要素算出処理を、同時に行うことが可能となる。

言い換えると、本発明によれば、受光部毎に前記スペクトル抽出処理及び光学特性要素算出処理を行うことにより、所定の広がりをもった測定対象の所定領域（所定の幅又は面積を有する領域）における光学特性を、一度に計測することが可能となる。

なお、本発明では、それぞれの受光部が、入射光の、周波数帯域ごとの光強度を取得することが可能な構成をなしていてもよい。例えば、受光部は、入射光を周波数帯域毎に分光する分光器と、分光された入射光の光強度を検出する検出部とを含んでいてもよい。

（７）また、本発明において、
前記光学系は、前記受光分光手段に代え、
前記第１の偏光子への入射前に前記所定の帯域成分を含む光を分光処理する分光手段と、
前記分光処理された光であって、前記第２の偏光子を透過した透過光を受光する受光手段と、
を含み、
前記スペクトル抽出処理では、
前記受光手段で検出された光強度信号を解析処理することにより得られる周波数スペクトルから、前記複数のピークスペクトルを抽出する構成としてもよい。

（８）また、本発明において、
前記演算処理手段で、
前記測定対象の主軸方位及び前記所定の帯域成分での複屈折位相差の少なくとも一方を算出する構成としてもよい。

これによれば、測定対象の主軸方位、複屈折位相差の片方でも、また双方でも１ショットで測定できるため、従来の計測装置及び方法に比べ、その測定が極めて簡単なものとなる。

（９）本発明に係る光学特性計測方法は、
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、
複屈折位相差が既知でその値が互いに異なる第１及び第２のキャリアリターダを用い、所定の帯域成分を含む光を第１の偏光子及び前記第１のキャリアリターダを介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２のキャリアリターダ及び第２の偏光子を介して受光分光手段に入射させる手順と、
前記受光分光手段で検出される光強度信号を解析処理することにより得られる周波数スペクトルから、複数のピークスペクトルを抽出する処理を行うスペクトル抽出手順と、
前記抽出された複数のピークスペクトル及び前記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差に基づき、前記測定対象の光学特性を表す光学特性要素を算出する光学特性要素算出処理を行う演算処理手順と、
を含む。

（１０）また、本発明において、
前記光学特性要素算出処理手順で、
前記測定対象の主軸方位及び前記所定の帯域成分での複屈折位相差の少なくとも一方を算出する構成としてもよい。

本発明の実施の形態に係る複屈折特性測定装置の説明図である。 本実施の形態の原理説明図である。 図１に示す光学系の光検出器内に設けられたＣＣＤの受光面の説明図である。 １ショット計測で得られる分光処理された光強度信号の測定データの一例である。 図４に示す光強度信号から得られるフーリエスペクトルを示す図である。 本実施の形態の装置の動作を示すフローチャート図である。 第１及び第２のキャリアリターダのパラメータを予め測定し、その後、測定試料の計測を行う場合の手順を示すフローチャート図である。 シミュレーションにより得られた各周波数の振幅成分と、設定した光強度の周波数の振幅成分との対比を示す図である。 光学系に測定試料を挿入する前と挿入した後での、測定光の位相の変化を示す図である。 測定試料の主軸方位及び複屈折位相差のシミュレーションによる解析結果を示す図である。 測定試料として実際のサンプルを用いて行った複屈折分散特性と主軸方位の実際の実験データを示す図である。

次に、本発明の好適な実施の形態を、図面に基づき説明する。

（１）光学特性計測装置の構成
図１には、本実施の形態に係る光学特性計測装置の実施の形態が示されている。本実施の形態では、光学特性計測装置は、複屈折特性計測装置として構成されている。ただし、本発明に係る光学特性計測装置は、複屈折特性計測装置に限られるものではない。

本実施の形態の計測装置は、光透過性を有する測定対象である測定試料５０の複屈折特性を光学的に計測する装置として構成されている。そして、本実施の形態では、計測装置は、光学系１０と、演算装置６０とを含んで構成されている。

１−１：光学系１０
光学系１０は、発光装置１２と、光検出器４２とを含む。光学系１０は、さらに、発光装置１２と光検出器４２とを結ぶ光路１００上に配置された、ライトガイド１４、偏光子２２、第１のキャリアリターダ２４、測定対象としての測定試料５０、第２のキャリアリターダ３２、検光子３４、ライトガイド４０を含んでいてもよい。なお、検光子３４は、偏光子２２と対になる偏光子といえる。すなわち、偏光子２２を第１の偏光子と、検光子３４を第２の偏光子と、それぞれ、称してもよい。また、光学系１０として、ライトガイド１４、４０を含まない光学系を利用してもよい。

発光装置１２は、所定の波長（波数ｋ）帯域成分を含む光を発生し出射する装置である。本実施の形態では、発光装置１２として、例えばハロゲンランプなどの白色光源を使用してもよい。

ライトガイド１４は、発光装置１２からの光を測定試料５０と対応した縦及び（又は）横方向の幅を有する光に広げて出射する光学装置である。すなわち、ライトガイド１４は、ビーム径を広げるための光学装置（光学素子）であってもよく、ビームエキスパンダーと称してもよい。

偏光子２２は、検光子３４と対になり、ライトガイド１４から出射した光を直線偏光とする入射側の偏光子である。

検光子３４は、偏光子２２と対になり、測定試料５０を透過した光を直線偏光とする出射側の偏光子である。

偏光子２２及び検光子３４は、互いにその主軸方位が、時計方向または反時計方向の一方に４５の奇数倍の角度差を有するように配置されていてもよい。本実施の形態では、偏光子２２の主軸方位を基準として、検光子３４の主軸方位は時計方向に４５゜の角度差を有するように配置されている。

第１のキャリアリターダ２４は、第２のキャリアリターダ３２と対となり、第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２は、測定試料５０を挟んで、光路１００の上流側と下流側に配置される。

本実施の形態において、第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２は、透過する光の波長によってその複屈折位相差の大きさが異なるものが用いられる。従って、これら第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２を透過した光は、その波長によって偏光状態が変化することになる。

これら第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２は、例えば高次の位相差板を用いて構成することができる。また、第１及び第２のキャリアリターダ２４，３２は、その複屈折位相差が既知でその値が互いに異なるものが用いられる。すなわち、第１のキャリアリターダ２４の複屈折位相差をαδ、第２のキャリアリターダ３２の複屈折位相差をβδとすると、αとβは異なる値となるように設定される。

さらに、前記第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２は、第１のキャリアリターダ２４の主軸方位を基準として、第２のキャリアリターダ３２の主軸方位が時計方向または反時計方向に４５゜の奇数倍の角度差を有するように設定される。

さらに、本実施の形態において、偏光子２２の主軸方位を基準として、第１のキャリアリターダ２４の主軸方位は時計方向または反時計方向に４５゜の奇数倍の角度差を有するように設定される。本実施の形態においては、４５゜の角度差を有するように設定される。

図２は、光路１００上における測定試料５０、偏光子２２、第１のキャリアリターダ２４、第２のキャリアリターダ３２、検光子３４の光学的な配置の原理図である。なお、説明を簡単にするためにライトガイド１４、４０の図示は省略してある。

同図に示すように、本実施の形態においては、偏光子２２の主軸方位を０゜とすると、第１のキャリアリターダ２４、第２のキャリアリターダ３２、検光子３４の各主軸方位はそれぞれ時計方向に４５゜、０゜、４５゜の角度に設定されている。

さらに、本実施の形態においては、測定試料５０の入射側に位置する偏光子２２と第１のキャリアリターダ２４とは、偏光変調ユニット２０を構成していてもよい。また、測定試料５０の出射側に位置する第２のキャリアリターダ３２と検光子３４とは、偏光解析ユニット３０を構成していてもよい。

測定試料５０は、光路１００の第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２の間に配置される。この測定試料５０は、例えば、光透過性のある液晶、機能性光学フィルムなどの材料（光学材料）である。

１−２：受光分光手段としての光検出器４２
前記光検出器４２は、受光分光手段として機能するものであり、受光部４５が２次元配列されたＣＣＤ４４を内蔵する。

図３は、本実施の形態におけるＣＣＤ４４の受光部４５の２次元配列の一例を示す図である。本実施の形態のＣＣＤ４４は、複数の受光部４５がそのＸ軸方向、Ｙ軸方向にマトリクス配置されている。そして、Ｘ軸方向に延びる受光部列４４ａが、測定試料５０の縦幅方向の各位置に対応付けられている。さらに、Ｙ軸方向に延びる各受光部行４４ｂが、測定試料５０の横幅方向の各位置に対応付けられている。

そして、測定試料５０を透過し第２のキャリアリターダ３２、検光子３４を通過した透過光はライトガイド４０により、測定試料５０の縦幅方向及び横幅方向と対応するＣＣＤ４４の各受光部４５に入射するようにガイドされる。

図４には、光検出器４２のＣＣＤ４４の受光部４５で検出された光強度Ｉ（ｋ）の一例が示されている。また、後述する式（７−１）、（７−２）は、光強度Ｉ（ｋ）の理論式である。光検出器４２で得られる光強度Ｉ（ｋ）は、式（７−１）、（７−２）に示すように、測定試料５０の複屈折位相差Δ（ｋ）と、主軸方位θの関数として表される。

演算装置６０は、光検出器４２の各受光部４５で検出される光強度信号Ｉ（ｋ）に基づき、測定試料５０の縦幅方向及び横幅方向の各位置における所定帯域成分での複屈折位相差Δ（ｋ）を求めるとともに、測定試料５０そのものの主軸方位θを求める演算を行う。なお、その詳細は後述する。

（２）複屈折特性測定原理
次に、本実施の形態の複屈折特性計測装置（広義には光学特性計測装置）の原理を説明する。

発光装置１２から出射された白色光は、図１、図２に示すように、偏光子２２と第１のキャリアリターダ２４を通過する。第１のキャリアリターダ２４は、前述したように通過する光の波長によって複屈折位相差が異なる。そのため、この第１のキャリアリターダ２４を透過した光は、波長によってその偏光状態が変化する。

そして、この波長によって異なる偏光状態を持つ光（第１のキャリアリターダ２４を透過した光）は、複屈折位相差Δ（ｋ）と主軸方位θをもつ測定試料５０を透過し、この際にその偏光状態はさらに変調される。

そして、この透過光はさらにその下流側に位置する第２のキャリアリターダ３２を透過し、この第２のキャリアリターダ３２によってさらにその偏光状態が変調される。

このとき、第１及び第２のリターダ２４、３２のもつ複屈折位相差をαδ（ｋ）とβδ（ｋ）とする。ここで、ｋは波数を表し、またα≠βとする。

また、偏光子２２、第１のキャリアリターダ２４、第２のキャリアリターダ３２、検光子３４の各主軸方位は、０゜、４５゜、０゜、４５゜とする。

以上の光学系１０を透過した光は最後に検光子３４を透過し、波長に対して周波数変調された測定光として光検出器４２に入射する。

なお、本実施の形態では、発光装置１２は、所定の帯域成分を含む光（白色光）を出射する。そのため、検光子３４を透過して受光分光手段に入射する光（測定光）も、所定の帯域成分を含む光となる。そして、受光分光手段に入射する光を波数ｋ毎に分光し、波数ｋ毎の光強度（分光強度）を測定することによって、図４に示す、波数ｋ毎の、測定光の光強度を測定することができる。上記構成を実現するために、受光分光手段は、測定光を分光する分光手段（分光器）と、光の強度を測定するための受光手段（受光素子）とを含んでいてもよい。そして、受光分光手段は、分光器（プリズムや回折格子等）で分光されたそれぞれの光の強度を受光素子で測定することによって、波数ｋ毎の光強度を取得する構成をなしていてもよい。なお、受光手段は、入射した光を光電変換する複数の受光素子が並列配置された構造をなしていてもよい。そして、それぞれの受光素子をいずれかの波数に割り当てることによって、測定光の波数毎の光強度を検出することができる。このとき、分光器と受光素子とをあわせて、受光分光器（受光分光手段）と称してもよい。なお、光学系は、複数の受光分光器を含んでいてもよい。そして、それぞれの受光分光器を、測定試料５０の各位置に対応させることによって、測定試料５０の所定の領域における光強度を取得することができる。なお、複数の受光分光器は、２次元配列されていてもよい。複数の受光分光器は、例えば、一行又は一列に配列されていてもよい。あるいは、複数の受光分光器は、複数行複数列に配列されていてもよい。

２−１：光学系１０のミュラーマトリクス
以上の光学系１０のミュラーマトリクスは下記のように書き表すことができる。

そして、それぞれのミュラーマトリクスとストークスパラメータとの関係は、

と書き表すことができる。ここで，S_out={ s₀, s₁, s₂, s₃ }^T={I_H + I_V, I_H - I_V, I_+45° - I_-45°, I_R - I_L} ^TとS_in={1,0,0,0}とは出射ストークスパラメータと入射ストークスパラメータを示す。なお、I_H , I_V, I_+45°, I_-45°, I_R, I_Lはそれぞれ方位0°，90°の直線偏光成分の光強度、方位±45°の直線偏光成分の光強度、右回り、左回り円偏光成分の光強度を表している。式（１）〜（５）およびＳ_ｏｕｔとＳ_ｉｎを式（６）に代入すると、光強度Ｉ（ｋ）は下記のように表すことができる。

前記式（７−１）の係数ｍ_２１（ｋ）、ｍ_２３（ｋ）、ｍ_３１（ｋ）、ｍ_３３（ｋ）には、次式で示すように、測定試料５０の所定波長帯域（波数ｋ）での複屈折位相差Δ（ｋ）の情報と、測定試料５０の主軸方位θの情報が含まれている。

なお、ｋは波長λの逆数である波数を示している。ここで、

と置くと、光強度は、

と書き直せる。

さらに式を変形すると、
が得られる。

この式を以下のように置き換える。
この式から光強度は（α−β）δ（ｋ）と（α＋β）δ（ｋ）という周波数で変調されることがわかる。

図４は、前記光学系１０において、光検出器４２の受光部４５で受光される光の光強度の一例を表すものであり、縦軸は光強度Ｉ（ｋ）、横軸は波数ｋを表す。同図に示すように、光検出器４２で検出される光の強度は、異なる周波数で変調されていることが確認される。

よって、フーリエ変換法を用いて振幅成分と位相成分を検出（広義には光強度信号を解析処理）することで複屈折位相差の波長依存性Δ（ｋ）と主軸方位θをそれぞれ分離して測定することが可能となる。

式（１１）をオイラーの公式を用いて解くと、
となる。ここで、

であり、ｃ_α−β ^＊（ｋ）とｃ_α＋β ^＊（ｋ）はそれぞれｃ_α−β（ｋ）とｃ_α＋β（ｋ）の共役成分である。

式（１２）を波数ｋに対して逆フーリエ変換すると、
となる。

図５には、式（１４）で表されるフーリエスペクトル（広義には周波数スペクトル）を示す。同図において横軸は周波数Ａ、縦軸は振幅スペクトラムを表す。

図５によると、第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２により、複屈折位相差（α−β）δ（ｋ）及び（α＋β）δ（ｋ）の周波数で変調された光強度Ｉ（ｋ）を、波数ｋに対して逆フーリエ変換して得られるフーリエスペクトルには、周波数Ａが０の領域にバイアスのピークスペクトルが現れるとともに、周波数（α−β）δ（ν）及び周波数（α＋β）δ（ν）の領域に２つのピークスペクトルが現れることがわかる。

２−２：実測値の活用
本実施の形態では、光検出器４２の受光部４５で検出され分光処理されることにより得られる光強度信号Ｉ（ｋ）を、以下に述べるように演算に用いる。

具体的には、図４に示すように分光処理され式（１２）で表される光強度信号Ｉ（ｋ）を、波数ｋに対して逆フーリエ変換し、フーリエスペクトルを求めるとともに、当該フーリエスペクトルから、前述した２つのピークスペクトルＣ_α−β（ν）、Ｃ_α＋β（ν）をそれぞれフィルタリング処理で抽出し、これをフーリエ変換することにより、実測値として次式の値を求める。

すなわち、上記式（１５−１）の値は、受光分光手段としての光検出器４２で検出される光強度信号Ｉ（ｋ）から、実測値として求めることができる。

２−３：実測値を用いた測定試料５０の複屈折位相差Δ（ｋ）と主軸方位θの演算
前記式（１３）を利用すれば、式（１５−１）は、次式で表される。

式（１５−２）から、各ピークスペクトルの実数成分Ｒｅと虚数成分Ｉｍ、前記第１及び第２のキャリアリターダ２４，３２の複屈折位相差αδ（ｋ）、βδ（ｋ）に基づき、ａｍｐ_α−β，φ_α−β，ａｍｐ_α＋β，φ_α＋βは、

と表すことがでる。

そして、式（１０）及び式（１１）に照らすと、ａ_α−β（ｋ），ａ_α＋β（ｋ），ｂ_α−β（ｋ），ｂ_α＋β（ｋ）は、ａｍｐ_α−β（ｋ），φ_α−β（ｋ），ａｍｐ_α＋β（ｋ），φ_α＋β（ｋ）を用いて、

と書き表すことができる。

ここで、光学系１０では、第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２の複屈折位相差αδ（ｋ）、βδ（ｋ）が既知の値として予め与えられていることから、式（１６）、（１７）より、ａ_α−β（ｋ），ａ_α＋β（ｋ），ｂ_α−β（ｋ），ｂ_α＋β（ｋ）の各値を得ることができる。

そして、式(５)と式(８)から複屈折位相差Δ（ｋ）と主軸方位θは、
と表せるため、複屈折位相差の波長特性Δ（ｋ）そして主軸方位θをそれぞれ求めることができる。

本実施の形態では、このような一連の計測処理を、受光分光手段として機能する検出器４２の各受光部４５毎に（受光分光器毎に）行うことができる。

しかも、本実施の形態では、発光装置１２から出射された光は測定試料５０の所定の領域（例えば全面）を通過した後、図３に示すようにＸ及びＹ方向に受光部４５がマトリクス配置された光検出器４２のＣＣＤ４４で検出される。

従って、発光装置１２からの１回の測定光の照射により、測定試料５０の所定の領域における複屈折位相差の波長特性Δ（ｋ）を求めることができるとともに、測定試料５０の主軸方位θも同時に求めることができるという、１ショットの測定が可能となる。

特に、本実施の形態においては、記第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２の複屈折位相差をαδ、βδとすると、（α＋β）と（α−β）の比が２以上又は１／２以下の値となるように、両者の複屈折位相差が設定されていてもよい。このようにすることにより、図５に示すフーリエスペクトルにおいて、２つのピークスペクトルの周波数の差を十分に大きくすることができる。そのため、測定試料５０の複屈折特性をより正確に測定することができる。

（３）複屈折特性の計測
図６には、本実施の形態の計測装置の動作フローチャート、特に演算装置６０の演算処理手順のフローチャートが示されている。

計測に際しては、まず光学系１０の光路１００内に、サンプルとなる測定試料５０を挿入設置する（ステップＳ１０）。

この状態で、発光装置１２から光を出射し、測定試料５０を透過させ、その透過光を光検出器４２で受光して、光強度を検出する（ステップＳ１２）。このとき光検出器４２は、受光分光手段として機能する。なお、図３に示すようにマトリクス配置された各受光部４５で受光された光は、受光部毎に、図４に示すような光強度信号Ｉ（ｋ）として検出してもよい。この場合、複数の受光部４５で受光された光は、受光部毎に分光処理されて、図４に示すように光強度信号Ｉ（ｋ）として検出される。

次に、光強度信号に対し、前記式（１４）で示すように、波数ｋに対してフーリエ変換処理（逆フーリエ変換処理）を行い（ステップＳ１４）、フーリエスペクトルを取得する（ステップＳ１６）。このようにして求めたフーリエスペクトルは、図５に示すように、第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２の固有の複屈折位相差αδ（ｋ）、βδ（ｋ）を反映した２つのピークスペクトルＣ_α−β（ν）、Ｃ_α＋β（ν）を含む。

次に、ステップＳ１８−１、Ｓ１８−２、Ｓ２０−１、Ｓ２０−２において、前記フーリエスペクトルから、２つのピークスペクトルＣ_α−β（ν）、Ｃ_α＋β（ν）をフィルタリング処理により抽出する処理を行う。

そして、次のステップＳ２２−１、Ｓ２２−２において、このようにして抽出された２つのピークスペクトルＣ_α−β（ν）、Ｃ_α＋β（ν）を、式（１５−１）に基づきフーリエ変換する。

以上のように、ステップＳ１２〜Ｓ２２で、各受光部４５で得られる測定光の光強度信号から２つのピークスペクトルを実測値として抽出する。なお、これらの手順を総称して、スペクトル抽出処理と呼んでもよい。あるいは、上述のステップＳ１２〜Ｓ２０をスペクトル抽出処理と称し、ステップＳ２２は、スペクトル抽出処理後の分析処理ととらえることも可能である。

次に、本実施の形態ではステップＳ２４、Ｓ２６で、測定試料５０の複屈折特性を求める複屈折特性演算処理を実行する。

すなわち、式（１５−１）に示すピークスペクトルの値と式（１３）から、式（１５−２）を導き、式（１６）〜（１８）に示す一連の演算を行う（ステップＳ２４、Ｓ２６）。

これにより、受光部４５毎に（受光分光手段毎に）、測定試料５０の複屈折位相差の波長特性Δ（ｋ）及び主軸方位θ（広義には光学特性要素）を求めることができる。

図３に示すＣＣＤ４４では、Ｘ及びＹ方向にマトリクス配置された各受光部４５が、測定試料５０の各領域と対応する。そのため、受光部４５毎にこのような複屈折特性の計測を行うことにより、測定試料５０の所定の領域における特性が適正か否かを判断することができる。また、測定試料５０の内部に不良個所が存在する場合には、その不良の有無のみならず、その位置をも正確に特定することができる。

（４）他の実施例
前記実施の形態では、光学系１０の第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２の複屈折位相差が予め知られている場合を例にとり説明した。しかし、本発明はこれに限らず、これら各キャリアリターダ２４、３２の複屈折位相差が予め判明していない場合でも実現可能である。すなわち、本実施の形態の計測装置を用いることによって、キャリアリターダ２４、３２の複屈折位相差を求めることができる。そのため、これを既知の値として使用して、上記対象物の計測を行うことができる。

図７には、本実施の形態の処理手順のフローチャートが示される。

まず、ステップＳ１００において、第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２のパラメータの計測を行う。

この場合には、図１に示す光学系１０にはサンプルとしての測定試料５０を挿入せず、測定試料５０がない状態で、前記実施の形態と同様な１ショットの測定を行う。

この場合には、前記式（１５−２）において、測定試料５０に関連する値、具体的にはφ_α−β（ｋ）、φ_α＋β（ｋ）の値は存在しない。

従って、式（１６）に基づき、第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２の複屈折位相差の波長特性αδ（ｋ）、βδ（ｋ）を求めることができる。

そして、このようにして求めた複屈折位相差の波長特性αδ（ｋ）、βδ（ｋ）を、予め演算装置６０の記憶手段に既知の値として記憶しておくことにより、ステップＳ１０、Ｓ１２〜２６において、前記実施の形態と同様にして測定試料５０の複屈折特性、すなわち複屈折位相差の波長特性及び主軸方位を求めることができる。

（５）検証実験
検証実験としてシミュレーションを行った。

第１及び第２のキャリアリターダ２４、３２は、一般的に液晶ディスプレイに用いられる１λの波長フィルムの複屈折分散特性を元に、この波長フィルムを複数枚貼り合わせて作成した。第１のキャリアリターダ２４は、前記波長フィルムを２０枚貼り合わせて、複屈折位相差が波長５５０ｎｍのときに２０λのリターダとして作成した。さらに、第２のキャリアリターダ３２は、前記波長フィルムを４０枚貼り合わせて、波長が５５０ｎｍのときに４０λのリターダとして作成した。

また、サンプルとしての測定試料５０には、予め主軸方位及び複屈折位相差が判明している試料を用いた。ここでは、液晶ディスプレイに用いられる１／４波長フィルムを用いた。

このシミュレーションでは、前述した図４に示す分光処理された光強度信号Ｉ（ｋ）が得られた。このデータから光強度Ｉ（ｋ）をみると、複数の周波数が生じていることが確認される。

図５は、図４に示す光強度信号をフーリエ解析することにより得られたフーリエスペクトルである。同フーリエスペクトルからは、シミュレーション条件として設定した第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差によって特定される２つの位置に、２つのピークスペクトルが発生していることが確認される。

図８は、式（１７）の各成分の値のシミュレーションデータを示している。このシミュレーションデータは、各周波数の振幅成分が、設定した光強度の周波数の振幅成分と一致していることを示している。すなわち、シミュレーション結果である、ａ１、ａ３、ｂ１、ｂ３が、理論値であるcosｑ、cos３ｑ、sinｑ、sin３ｑ、と一致していることがわかる。

図９は、光検出器４２で受光される光の位相を表すものであり、図中１００は、光学系１０に測定試料５０を挿入した状態での光の位相、１１０は測定試料５０を挿入しないサンプルなしの光の位相を表している。測定試料５０を挿入した場合には、位相がわずかに変化していることが確認された。

このような図８、図９で得られた位相と振幅から、測定試料５０の複屈折位相差の波長依存性と主軸方位は図１０のようになる。同図において、２００、２１０は、シミュレーションにより得られた主軸方位、複屈折位相差の解析結果を表し、２２０は、予め知られている測定試料５０の複屈折位相差を表す。なお、測定試料５０の主軸方位は、１５゜に設定した。同図に示すように、シミュレーションにより得られた値は、サンプルとして与えた測定試料５０の実際の値とよく一致しているという結果が得られた。

図１１は、実際に実験を行った結果である。

測定試料５０としては、波長６３３ｎｍのときに複屈折位相差が７２．９゜を与える位相差板を用いた。この測定試料を、主軸方位が０゜となるように設定した。

同図において、実線３００、３１０が、それぞれ実験により得られた測定試料５０の主軸方位及び複屈折位相差を表す。同図に示すように、波長６２３ｎｍでは複屈折位相差が７２゜となっていることから、本計測法の有効性が確認できた。また、主軸方位は全波長で０゜となっていることから、この面からも本計測法の有効性が確認できた。

以上のように、本実施の形態の計測装置は、機械的及び電気的操作を必要とすることなく、１ショットの測定で、測定試料５０の複屈折位相差と主軸方位の同時測定を行うことができる。このため、液晶ディスプレイをはじめとする高分子材料の評価手法として、幅広い分野に適用することができる。

例えば、現在使われている液晶ディスプレイの中には位相差フィルムや液晶といった複屈折をもつものが存在している。それらの評価方法に本計測手法は有効である。また、次世代のモバイル液晶は、現在のガラス基板からポリマーフィルムに大きく変わろうとしている。これらの先端材料技術の開発にも貢献できると考えられる。また高分子材料のような分野で利用されるだけでなく、さらにはバイオ・医学分野にも応用することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で、各種の変形実施が可能である。

例えば、前記実施の形態では、測定試料５０の主軸方位及び複屈折位相差の双方を１ショット計測する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限らず、必要に応じてこれらいずれか一方のみを測定するようにしてもよい。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

例えば、上述した実施の形態では、帯域成分を含む光（例えば白色光）を光学素子に入射させ、分光し、測定光の波数ｋ毎の光強度を取得する構成の計測装置について説明した。しかし、本発明は、測定光の波数ｋ毎の光強度（図４参照）を取得することができるいずれかの方法を適用することができる。言い換えると、本発明は、波数ｋ（波長）毎の光の変調状態を、光強度として得ることが可能な、いずれかの方法を適用することができる。例えば、特定の波数（波長）の光（単色光）を、波数（波長）を変えて連続的に出射することで、測定光を分光することなく、所定の帯域成分における測定光の光強度を取得する構成としてもよい。この場合には、計測装置は、発光装置１２と偏光子２２との間に、白色光を分光処理する分光手段を含んでいてもよい。あるいは、光源として、波長（波数）の異なる光を連続的に出射することが可能な、いずれかの発光装置を利用してもよい。この場合でも、光学素子の主軸方位の設定を変更する必要がないため、迅速な計測が可能になる。

また、上述した実施の形態では、光透過性を有する測定対象の光学特性（主軸方位及び複屈折位相差）を計測する計測装置について説明した。しかし、本発明は、光透過性を有しない測定対象に適用することも可能である。すなわち、本発明は、光を反射する測定対象に適用することも可能である。このとき、光学系は、発光装置１２から出射した光を、偏光子２２及び第１のキャリアリターダ２４を介して測定試料５０に入射させ、測定試料５０で反射した光を、第２のキャリアリターダ３２及び検光子３４を介して受光分光手段に入射させる構成をなしていてもよい。

また、上述した実施の形態では、光学特性としての主軸方位及び複屈折位相差を計測する計測装置について説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、本発明の実施の形態に係る光学特性計測装置は、ミュラーマトリクス等の光学特性を表す行列の行列要素を算出する計測装置として構成されていてもよい。あるいは、本発明の実施の形態に係る光学特性計測装置は、測定試料５０の二色性を計測する計測装置として構成されていてもよい。

本発明は、液晶をはじめとする有機高分子材料の評価や新材料の研究開発に利用することができる。さらに、高分子の配向状態を品質管理などにも応用が可能である。これらより得られる知見は新しい材料に非常に有効なものとなる。

また、半導体や光学結晶などの無機材料の検査、材料に生じる光弾性定数や応力分布を測定することが可能となる。本発明を用いてリアルタイムにモニタリングすることで、光学素子に加わる応力の様子を知ることも可能である。ワンショットで測定できることからも高速現象の複屈折分散特性の検出が可能である。

上記のような有機・無機高分子材料のみならず、バイオテクノロジーの分野でも適用が可能である。

Claims (10)

1. 測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置において、
   複屈折位相差が既知でその値が互いに異なる、高次の位相差板によって構成された第１及び第２のキャリアリターダを有し、所定の帯域成分を含む光を第１の偏光子及び前記第１のキャリアリターダを介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２のキャリアリターダ及び第２の偏光子を介して受光分光手段に入射させる光学系と、
   前記受光分光手段で検出される光強度信号を解析処理することにより得られる周波数スペクトルから、複数のピークスペクトルを抽出する処理を行うスペクトル抽出処理と、前記複数のピークスペクトル及び前記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差に基づき、前記測定対象の光学特性を表す光学特性要素を算出する光学特性要素算出処理とを行う演算処理手段と、
   を含むことを特徴とする光学特性計測装置。
2. 請求項１において、
   前記演算処理手段は、
   前記光学特性要素算出処理に先立って、前記光学系に前記測定対象が無い状態で前記スペクトル抽出処理を行い、前記抽出された複数のピークスペクトルに基づき、前記第１及び第２のキャリアリターダの前記複屈折位相差の値を、前記既知の値として求めることを特徴とする光学特性計測装置。
3. 請求項１において、
   前記光学系は、
   前記第１の偏光子の主軸方位を基準として、前記第２の偏光子の主軸方位が、時計方向又は反時計方向の一方に４５度の奇数倍の角度差を有するように設定され、
   前記第１のキャリアリターダの主軸方位を基準として、前記第２のキャリアリターダの主軸方位が前記一方に４５度の奇数倍の角度差を有するように設定され、さらに、
   前記第１の偏光子の主軸方位を基準として、前記第１のキャリアリターダの主軸方位が前記一方に４５度の奇数倍の角度差を有するように設定されたことを特徴とする光学特性計測装置。
4. 請求項１において、
   前記演算処理手段では、
   前記スペクトル抽出処理で抽出された前記複数のピークスペクトルの実数成分及び虚数成分を求め、前記ピークスペクトルの前記実数成分及び虚数成分と、前記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差に基づき、前記光学特性要素算出処理を行うことを特徴とする光学特性計測装置。
5. 請求項１において、
   前記光学系は、
   記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差をαδ、βδとすると、（α＋β）と（α−β）の比が２以上又は１／２以下の値となるように、両者の複屈折位相差が設定されていることを特徴とする光学特性計測装置。
6. 請求項１において、
   前記受光分光手段は、２次元配列された複数の受光部を有し、
   前記光学系は、
   前記所定の帯域成分を含む光を前記測定対象の所定領域に入射させるように、かつ、
   前記測定対象によって変調された前記光を前記複数の受光部に入射させるように構成されてなり、
   前記演算処理手段は、
   前記受光部毎に、前記スペクトル抽出処理及び前記光学特性要素算出処理を行い、前記測定対象の前記所定領域での光学特性要素を算出することを特徴とする光学特性計測装置。
7. 請求項１において、
   前記光学系は、前記受光分光手段に代え、
   前記第１の偏光子への入射前に前記所定の帯域成分を含む光を分光処理する分光手段と、
   前記分光処理された光であって、前記第２の偏光子を透過した透過光を受光する受光手段と、
   を含み、
   前記スペクトル抽出処理では、
   前記受光手段で検出された光強度信号を解析処理することにより得られる周波数スペクトルから、前記複数のピークスペクトルを抽出することを特徴とする光学特性計測装置。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
   前記演算処理手段で、
   前記測定対象の主軸方位及び前記所定の帯域成分での複屈折位相差の少なくとも一方を算出することを特徴とする光学特性計測装置。
9. 測定対象の光学特性を計測する光学特性計測方法において、
   複屈折位相差が既知でその値が互いに異なる、高次の位相差板によって構成された第１及び第２のキャリアリターダを用い、所定の帯域成分を含む光を第１の偏光子及び前記第１のキャリアリターダを介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２のキャリアリターダ及び第２の偏光子を介して受光分光手段に入射させる手順と、
   前記受光分光手段で検出される光強度信号を解析処理することにより得られる周波数スペクトルから、複数のピークスペクトルを抽出する処理を行うスペクトル抽出手順と、
   前記抽出された複数のピークスペクトル及び前記第１及び第２のキャリアリターダの複屈折位相差に基づき、前記測定対象の光学特性を表す光学特性要素を算出する光学特性要素算出処理を行う演算処理手順と、
   を含むことを特徴とする光学特性計測方法。
10. 請求項９において、
    前記光学特性要素算出処理手順で、
    前記測定対象の主軸方位及び前記所定の帯域成分での複屈折位相差の少なくとも一方を算出することを特徴とする光学特性計測方法。