JP5721195B2 - 光学特性測定装置及び光学特性測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、物質の分光特性及び偏光特性の両方を測定可能な光学特性測定装置及び方法に関する。

従来から、物質の光学特性を測定することにより当該物質中の未知の成分を推定する方法が知られている。例えば特許文献１には、測定対象となる物質に光を透過させたときの透過光強度から複屈折位相差（リタデーション）を求め、該複屈折位相差から物質固有の複屈折率を算出することにより未知の成分を推定する方法が開示されている。複屈折とは、異方性媒体に光が入射するときに二つの屈折光が現れる現象をいう。複屈折位相差は複屈折率と透過光路長の積で表されるため、複屈折位相差が同じであっても光の透過光路長が異なれば複屈折率も異なることになる。従って、正確な複屈折率は、測定された複屈折位相差に対して正確に定まった透過光路長を用いて求めることができる。

しかしながら、測定対象において容易に透過光路長を求めることができない場合、例えば測定対象の形状が複雑な場合には正確な複屈折率を求めることが困難になる。また、測定対象が眼の網膜といった生体膜の場合は測定対象を人体から切り出すことができないため、その厚み、即ち透過光路長を測定することができない。

また、複屈折性以外の光学特性であるフーリエ分光特性から物質中の未知の成分を推定する方法がある。上述したように、複屈折性は物質が異方性媒体であるときに観察される光学特性であるため、未知の物質の成分を推定する場合には複屈折性とフーリエ分光特性の両方を測定することが有効である。ところが、従来の装置ではフーリエ分光特性と複屈折性の両方を同時に測定することができなかった。

特開2001-141602号公報

本発明が解決しようとする課題は、様々な形状や性質の物質のフーリエ分光特性と複屈折性を同時に測定することができる光学特性測定装置および光学特性測定方法を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る光学特性測定装置は、
a)直線偏光が入射された被測定物から発せられる光を第１偏光板及び第２偏光板に導く分割光学系と、
b)前記第１偏光板を透過した第１偏光成分と前記第２偏光板を透過した第２偏光成分の合成成分のうち、所定の偏光方向の光を透過させる検光子と、
c)前記検光子を透過した光を同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
d)前記干渉像の光強度を検出する検出部と、
e)前記第１偏光板及び第２偏光板から前記検光子に向かう第１偏光成分及び第２偏光成分の光路長の差を変化させることにより当該第１偏光成分と第２偏光成分の間の位相差を変化させる位相差付与手段と、
f)前記位相差の変化に伴い前記検出部で検出される光強度の変化のデータをフーリエ変換することにより前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差を取得する処理部と
を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光学特性測定装置は、
a)直線偏光が入射された被測定物から発せられる光を第１偏光板及び第２偏光板に導く分割光学系と、
b)前記第１偏光板を透過した第１偏光成分と前記第２偏光板を透過した第２偏光成分の合成成分のうち所定の偏光方向の光を透過させる検光子と、
c)前記検光子を透過した光を、前記第１偏光成分及び第２偏光成分の光軸と異なる向きに延びる同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系と、
d)前記第１偏光板及び第２偏光板から前記検光子に向かう第１偏光成分及び第２偏光成分の間に連続的な光路長差分布を与えることにより当該第１偏光成分と第２偏光成分の間に連続的な位相変化を与える位相変化付与手段と、
e)前記線状の干渉像の該干渉像の延びる方向に沿った光強度分布を検出する検出部と、
f)前記検出部で検出される前記干渉像の光強度分布を示すデータをフーリエ変換することにより前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差を取得する処理部と
を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る光学特性測定装置は、
a)直線偏光が入射された被測定物から発せられる光を第１偏光板及び第２偏光板に導く分割光学系と、
b)前記第１偏光板を透過した第１偏光成分と前記第２偏光板を透過した第２偏光成分の合成成分のうち、所定の偏光方向の光を透過させる検光子と、
c)前記検光子を透過した光を、前記第１偏光成分及び第２偏光成分の光軸と異なる向きに延びる同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系と、
d)前記第１偏光板及び第２偏光板から前記検光子に向かう第１偏光成分及び第２偏光成分の間に連続的な光路長差分布を与えることにより当該第１偏光成分と第２偏光成分の間に連続的な位相変化を与える位相変化付与手段と、
e)前記線状の干渉像を波長分解して分光スペクトルを形成する分光光学系と、
f)前記分光スペクトルの光強度分布を検出する検出部と、
g)前記検出部で検出される光強度分布から前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差を取得する処理部と
を備えることを特徴とする。

上記した本発明に係る光学特性測定装置においては、第１偏光成分と第２偏光成分の偏光方向が直交し、且つ前記被測定物に入射する直線偏光の電界成分に対して第１偏光成分と第２偏光成分の偏光方向が４５°傾くように、第１偏光板及び第２偏光板が配置されていることが好ましい。

また、上記本発明に係る光学特性測定装置においては、
前記分割光学系が、前記被測定物から発せられた光を平行光線化して第１偏光板及び第２偏光板に導く対物レンズを備え、
前記処理部は、前記被測定物のうち前記対物レンズの合焦点から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差（位相差量）を求めるようにすると良い。

この場合、前記被測定物に対する前記対物レンズの合焦位置を相対的に変更する合焦位置変更手段を備えることが好ましい。

また、本発明に係る光学特性測定方法は、
a)直線偏光を被測定物に入射させ、
b)前記直線偏光が入射された被測定物から発せられる光を分割光学系によって第１偏光板及び第２偏光板にそれぞれ導き、
c)前記第１偏光板を透過した第１偏光成分と前記第２偏光板を透過した第２偏光成分を、該第１偏光成分と該第２偏光成分の光路長の差を変化させつつ検光子を介して結像光学系に導くと共に、該結像光学系によって同一点に集光させて干渉像を形成させ、
d)前記干渉像の光強度の変化を示すデータをフーリエ変換することにより前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差を取得することを特徴とする。

さらに、本発明に係る光学特性測定方法は、
a)直線偏光を被測定物に入射させ、
b)前記直線偏光が入射された被測定物から発せられる光を分割光学系によって第１偏光板と第２偏光板にそれぞれ導き、
c)前記第１偏光板を透過した第１偏光成分と前記第２偏光板を透過した第２偏光成分を、該第１偏光成分と第２偏光成分の間に連続的な光路長差分布を付与しつつ検光子を介して結像光学系に導くと共に、該結像光学系によって同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成させ、
d)前記線状の干渉像の該干渉像が延びる方向に沿った光強度分布を示すデータをフーリエ変換することにより前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差を取得することを特徴とする。

さらにまた、本発明に係る光学特性測定方法は、
a)直線偏光を被測定物に入射させ、
b)前記直線偏光が入射された被測定物から発せられる光を分割光学系によって第１偏光板と第２偏光板にそれぞれ導き、
c)前記第１偏光板を透過した第１偏光成分と前記第２偏光板を透過した第２偏光成分を、該第１偏光成分と第２偏光成分の間に連続的な光路長差分布を付与しつつ検光子を介して結像光学系に導くと共に、該結像光学系によって同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成させ、
d)前記線状の干渉像を分光光学系によって波長分解することにより分光スペクトルを取得し、
e)前記分光スペクトルの光強度分布に基づき前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差を取得することを特徴とする。

本発明に係る光学特性測定装置及び方法によれば、直線偏光が入射された被測定物から発せられる光は、分割光学系によって第１偏光板及び第２偏光板に導かれ、該第１偏光板及び第２偏光板を透過した後、第１偏光成分及び第２偏光成分となって検光子に入射する。検光子を透過した光は、結像光学系によって同一点又は同一直線上に導かれて干渉像を形成する。このとき、第１偏光成分と第２偏光成分の間の位相差が時間的あるいは空間的に変化されるため、検出部で検出される干渉光の強度が変化し、インターフェログラムに似た合成波形が取得される。処理部によってこの合成波形をフーリエ変換すると、前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と波長毎の複屈折位相差が得られるため、被測定物のフーリエ分光特性と複屈折性を同時に求めることができる。
なお、２つの光が同一の「点」に導かれて干渉する場合は、厳密には「干渉像」ではなく「干渉光」であるが、ここでは、２つの光が干渉することにより形成されるものを全て「干渉像」と呼ぶこととする。

また、本発明によれば、直線偏光が入射された被測定物から発せられる光が透過光及び反射光のいずれであっても、当該光を使って被測定物のフーリエ分光特性と複屈折率性を同時に求めることができる。従って、光学素子、高分子フィルムといった比較的形状が単純な製品はもちろん、形状が複雑な物質、及び眼の網膜といった生体膜も被測定物となりうるため、幅広い分野で利用できる。

ところで、従来のフーリエ変換型赤外分光法（FTIR：Fourier Transform Infrared Spectroscopy）では、マイケルソン干渉計を用いて被測定物から発せられた光を２つに分離し、これら２つに分離された光を共通の光路に導いて干渉させ、その干渉光を検出器で検出する。２つに分離された光は共通光路上で干渉するため、検出器の受光面には、被測定物の様々な位置（深度）から発せられた光の干渉光が混在することになる。
これに対して本発明では、被測定物から発せられた光を分割光学系によって第１偏光成分と第２偏光成分に分割し、これら偏光成分を別々の光路で結像光学系に向かわせた後、該結像光学系によって同一点に導いて干渉させる。合焦面から発せられた光のみが、結像光学系の結像面上で干渉するため、本発明では、結像光学系の結像面上に検出部の受光面を位置させることにより、被測定物のうち合焦面に相当する部分、つまり、被測定物内の特定の深度から発せられた光の干渉光のみを検出部で検出することができ、雑音の少ない明瞭な干渉像を得ることができる。

本発明の実施例１に係る光学特性測定装置の全体構成及び光学素子の配置を示す概略図。 光学特性測定装置の概略的な全体構成を示す図。 偏光子、第１偏光板及び第２偏光板、検光子の偏光方向を説明するための図。 実施例１に係る光学特性測定装置の測定原理を説明するための図であって、直線偏光成分とそれをｘ方向とｙ方向の直交成分にベクトル分解した電界成分を示す図（ａ）及びこれら直線偏光成分、ｘ、ｙ方向の電界成分を光の進行方向から見た図（ｂ）。 ｘ方向とｙ方向の電界成分の間にλ／４の位相差があるときの合成ベクトルを示す図（ａ）及び、これらｘ、ｙ方向の電界成分と合成ベクトルを光の進行方向から見た図（ｂ）。 ｘ方向とｙ方向の電界成分の間にλ／２の位相差があるときの合成ベクトルを示す図（ａ）及び、これらｘ、ｙ方向の電界成分と合成ベクトルを光の進行方向から見た図（ｂ）。 ｘ方向とｙ方向の電界成分の間に測定対象により与えられた未知の複屈折位相差（リタデーション）を打ち消す位相差を与えたときの合成ベクトルを示す図（ａ）及び、これらｘ、ｙ方向の電界成分と合成ベクトルを光の進行方向から見た図（ｂ）。 位相シフト量と結像強度の関係を示す図。 多波長光を照射したときの位相シフト量と結像強度との関係を示す図。 多波長光の結像強度の合成波形図（ａ）とそれをフーリエ変換して得られたスペクトルの波形図（ｂ）及びリタデーション（複屈折位相差）を示す図（ｃ）。 石材の斜方照明型干渉計の観察画像。 石材のスペクトルを表すグラフ。 石材のリタデーション量と波長との関係を示すグラフ。 特定の波長範囲における石材の強度分布と位相分布を表す図。 本発明の実施例２に係る光学特性測定装置の概略的な全体構成を示す図。 実施例２に係る光学特性測定装置のうち測定対象から結像面までの光学素子の配置を示す図。 実施例２において結像レンズにより測定光が受光面に集光される様子を示す側面図。 実施例２において結像レンズにより測定光が受光面に集光される様子を示す上面図。 本発明の実施例３に係る光学特性測定装置の概略的な全体構成を示す図。 実施例３における結像レンズの斜視図。 実施例３における基準光束と傾斜光束の干渉像を示す図。 本発明の実施例４に係る光学特性測定装置の概略的な全体構成を示す図。

以下、本発明のいくつかの具体的な実施例について図面を参照して説明する。

図１及び図２は実施例１に係る光学特性測定装置を示す。これらの図に示すように、実施例１に係る光学特性測定装置１は、光源３、偏光子５、対物レンズ７、第１偏光板９及び第２偏光板１１、位相シフター１３、検光子１５、結像レンズ１７、検出器１９を備えている。本実施例では、対物レンズ７、第１偏光板９、及び第２偏光板１１が分割光学系を構成し、結像レンズ１７が結像光学系を構成する。また、位相シフター１３が位相差付与手段として機能する。

前記対物レンズ７は、レンズ駆動機構２１によって光軸方向に移動可能に構成されている。レンズ駆動機構２１は、対物レンズ７の合焦位置を走査するためのものであり合焦位置変更手段に相当する。前記レンズ駆動機構２１は、例えばピエゾ素子により構成することができる。

偏光子５は、光源３から出射される光の光路上に配置されており、当該光から特定の方向の直線偏光成分のみを抽出して被測定物である試料Ｓに照射する。試料Ｓに光が照射されることによって、当該試料Ｓを透過してきた光（以下、「測定光」ともいう）は、対物レンズ７に入射し、平行光束へ変換される。
なお、図１及び図２には、試料Ｓを透過した光を測定する透過型の光学特性測定装置１を示したが、試料Ｓの内部から反射してきた光を測定する反射型の光学特性測定装置でもよい。試料を透過してきた光、及び、試料の内部で反射してきた光は、いずれも試料中の成分の複屈折性と吸光特性を有するからである。

また、対物レンズ７を透過した後の光束は完全な平行光束である必要はない。後述するように、測定光を２分割あるいはそれ以上に分割できる程度に広げることができればよい。ただし、平行光束でない場合は、後述の位相シフト量に応じて生じる位相差量に誤差を生じ易い。従って、より高い測定精度を得るためにはできるだけ平行光束とすることが望ましい。

第１偏光板９及び第２偏光板１１はいずれも対物レンズ７を透過してきた平行光束の光路上に例えば上下に並んで配置されている。対物レンズ７を透過してきた平行光束は第１偏光板９及び第２偏光板１１を経て位相シフター１３に到達する。
図３に示すように、第１偏光板９及び第２偏光板１１は、その偏光方向が偏光子５を透過してきた直線偏光成分の電界ベクトルの振動方向に対して４５°傾くように、且つ、第１偏光板９の偏光方向と第２偏光板１１の偏光方向が互いに直交するように設置される。以下の説明では、第１偏光板９の偏光方向をｘ方向、第２偏光板１１の偏光方向をｙ方向ともいう。また、第１偏光板９を透過した光を第１偏光、第２偏光板１１を透過した光を第２偏光という。

位相シフター１３は、矩形板状の可動ミラー部１３１、その下部に配置された矩形板状の固定ミラー部１３２、可動ミラー部１３１及び固定ミラー部１３２を保持する保持部１３３及び１３４、可動ミラー部１３１の保持部１３３を移動する駆動ステージ１３５を備えて構成されている。第１偏光板９を透過した第１偏光は可動ミラー部１３１に入射し、第２偏光板１１を透過した第２偏光は固定ミラー部１３２に入射する。可動ミラー部１３１及び固定ミラー部１３２の表面(反射面）は光学的に平坦で且つ本装置１が測定対象とする光の波長帯域を反射可能な光学鏡面となっている。また、可動ミラー部１３１及び固定ミラー部１３２の反射面はほぼ同じ大きさを有している。

なお、以下の説明では、第１偏光板９から可動ミラー部１３１の反射面に到達して反射され検光子１５に至る光束を可動光束、第２偏光板１１から固定ミラー部１３２の反射面に到達して反射され検光子１５に至る光束を固定光束ともいう。

駆動ステージ１３５は、例えば静電容量センサーを具備する圧電素子から構成されており、制御部２５からの制御信号を受けて保持部１３３を矢印Ａ方向に移動させる。これにより、可動ミラー部１３１は光の波長に応じた精度で矢印Ａ方向に移動する。この結果、可動光束と固定光束の間に光路長差が生じ、これら２光束間に相対的な位相変化が与えられる。従って、本実施例では、位相シフター１３が光路長差伸縮手段に相当し、可動ミラー部１３１及び固定ミラー部１３２がそれぞれ第１反射部及び第２反射部に相当する。分光測定能力にもよるが、例えば可視光領域では１０nm程度の高精度な位置制御が必要となる。

また、位相シフター１３は、対物レンズ７からの平行光束の光軸に対して可動ミラー部１３１及び固定ミラー部１３２の反射面が４５°傾くように配置されている。駆動ステージ１３５は、可動ミラー部１３１の反射面の光軸に対する傾きを４５°に維持した状態で当該可動ミラー部１３１を移動する。このような構成により、可動ミラー部１３１の光軸方向の移動量は、駆動ステージ１３５の移動量の√２となる。また、固定光束と可動光束の２光束間の相対的な位相変化を与える光路長差は、可動ミラー部１３１の光軸方向の移動量の２倍となる。

このように可動ミラー部１３１及び固定ミラー部１３２を斜めに配置すれば、光線を分岐するためのビームスプリッタが不要となるため、物体光の利用効率を高くすることができる。

検光子１５は、偏光子５と同じ方向の直線偏光成分を透過する、いわゆるオープンニコルの状態で設置されている。従って、試料Ｓが複屈折性を有しない場合は、位相シフト動作を行わなければ光源３から偏光子５を経て測定対象を透過した直線偏光成分はそのまま結像レンズ１７に到達する。結像レンズ１７の結像面となる位置に検出器１９の受光面が位置しており、結像レンズ１７に到達した直線偏光成分は検出器１９の受光面の同一点上に集光する。なお、検光子１５は偏光子５に対する偏光抽出角が４５°となるように設置されていても良い。この場合、検光子１５の偏光抽出角の向きはどちらでも良い。検光子１５をこのように設置した場合、試料Ｓが複屈折性を有しない場合には偏光子５を経て測定対象を透過した直線偏光成分は検光子１５を通過しないが、試料Ｓの複屈折性によって４５°回転された直線偏光成分は検光子１５を通過する。
検出器１９は例えば二次元ＣＣＤカメラから構成されており、その検出信号は処理部２３に入力されて処理される。また、処理部２３、レンズ駆動機構２１、駆動ステージ１３５等は制御部２５によって制御される。

ここで、本実施例に係る光学特性測定装置１の測定原理について図４〜図１０を用いて説明する。図４（ａ）、（ｂ）中、ｘ軸は第１偏光板９の偏光方向を、ｙ軸は第２偏光板１１の偏光方向を示す。また、ｚ軸は、ｘ軸及びｙ軸に直交しており光の進行方向を示す。図４（ａ）、（ｂ）中、実線Ｌで示す斜め方向の振動が、観察される直線偏光、つまり、偏光子５を経て試料Ｓに照射される直線偏光成分の電界ベクトルの振動である。進行方向から眺めると、斜め４５°の方向に電界成分が直線的に振動することから直線偏光と呼ばれる。これを、ｘ方向とｙ方向の直交成分にベクトル分解して考える。つまり、二点鎖線Ｌｘで示す電界成分と一点鎖線Ｌｙで示す電界成分が同期して振動しており、その合成ベクトルとして、実線Ｌの直線偏光が観察されると考える。

物質の複屈折性により、例えばｘ方向とｙ方向の電界振動の位相差がλ／４であるとする。この場合、図５（ａ）に示すように、T1の時点では、ｙ方向ベクトル（一点鎖線Ｌｙ）は節であることから、その合成ベクトルはｘ方向成分（二点鎖線Ｌｘ）のみで決定される。T2の時点では、逆にｘ方向成分（二点鎖線Ｌｘ）が節となるため、ｙ方向成分（一点鎖線Ｌｙ）のみにより合成ベクトルが決まる。このように、直交分解したベクトル成分のリタデーションがλ／４の場合、合成ベクトル（実線Ｌ１〜Ｌ４）は、進行方向からみて回転する、いわゆる円偏光になる（図５（ｂ）参照）。

一方、図６（ａ）に示すように、ｘ方向とｙ方向の電界振動の位相差がλ／２の場合、その合成ベクトルは、もとの直線偏光と直交する方向の直線偏光（図６（ｂ）の点線）になる。このとき、偏光子５に対して検光子１５がオープンニコルの状態で設置されている場合、合成ベクトルは検光子１５を透過することができない。

図７に示すように、試料Ｓの有する複屈折性により未知のリタデーションが直交する２方向の電界ベクトル成分Ｌｘ、Ｌｙに付加されたとする。このような２方向の電界成分に対して試料Ｓにより与えられたリタデーションを打ち消す位相差を与える。図７では試料Ｓによりリタデーションが与えられた電界ベクトル成分をＬｘ、Ｌｙとし、当該リタデーションを打ち消す位相差が与えられた電界ベクトル成分をＬｘ、Ｌｙ'とする。すると、リタデーションを打ち消す位相差を与えられた電界ベクトル成分ＬｘとＬｙ'の合成ベクトルＬは、試料Ｓに照射された直線偏光と同様の直線偏光に戻る。

本実施例では、位相シフター１３により、第１偏光板９を透過した第１偏光と第２偏光板１１を透過した第２偏光の間に任意の位相差を与えることができる。そこで、可動ミラー部１３１を徐々に移動させて第１偏光と第２偏光の間の光路長の差を連続的に且つ時間的に変化させ、両者の間の位相差を変化させると、光源３からの光が単色光の場合、偏光子５に対してオープンニコルで配置された検光子１５を透過する結像強度は、図８に示すようにリタデーションを打ち消す位相差量を与えた時点で最も強くなる。その位相差量に更に位相差量λ／２を与えると、偏光子５から試料Ｓに照射される直線偏光の方向と直交する方向の直線偏光になるため検光子１５を透過できなくなり、結像強度は最も小さくなる。更に位相差量λ／２を与えて位相差が１波長（λ）になると、再び偏光子５から試料Ｓに照射される直線偏光と同じ方向の直線偏光になるため、結像強度が最も強くなる。このように、第１偏光と第２偏光の間の位相差量が１波長となるごとに明暗が繰り返される正弦波状の結像強度変化を示すことになる。多波長の光を照射すると、波長毎のリタデーション量の違いと、波長の違いが図９のように重なり合う。

この結果、図１０（ａ）に示すように、フーリエ分光のインターフェログラムと似た、合成波形を観察することができる。一般的なフーリエ分光のインターフェログラムは、複屈折性が反映されないことから、位相差量が０の位置において全ての波長の光が強め合う波形になる。一方、本実施例の場合、波長毎にリタデーションが異なれば、図１０（ａ）に示すように、明確なピーク位置を観察できない合成波形になる。しかし、この合成波形は多様な周波数の正弦波形の重なりにより形成されている波形であることから、処理部２３にて数学的にフーリエ変換することにより、波長毎の振幅と位相差量を同時に解析的に得ることができる。フーリエ変換により求められる振幅項から相対強度を算出すれば、フーリエ分光と同様に、波長毎の相対強度である分光特性を取得することができる。また、フーリエ変換により算出される位相差項からは波長毎のリタデーションを取得することができる。つまり、分光特性と複屈折性を同時に測定することができる。

本実施例では、光学系が結像光学系であるため、分光特性及び複屈折性の２次元測定が可能となる。また、レンズ駆動機構２１によって対物レンズ７の合焦位置を深さ方向に走査することにより、任意の深さから反射してくる物体光のリタデーションを求めることができる。リタデーションは、複屈折率に物体光の経路の長さを積算した値であることから、物体光が反射してくる深さが分かれば、リタデーションから複屈折率を算出することができる。

図１に示した光学特性測定装置１の光学系を斜方照明光学系に代えて、花崗岩からなる石材の分光特性を測定した結果を図１１〜図１４に示す。垂直落射照明光学系に比べると斜方照明光学系を用いて撮影される光量は著しく減退するが、図１１に示すように、部分的に明るい箇所（記号Ｐ１〜Ｐ３で示す）が確認された。観察に用いた石材は表面が鏡面状に研磨されていることから、これらの明るい箇所Ｐ１〜Ｐ３が、石材の内部からの拡散反射成分が観察された箇所であると思われる。

そこで、図１１に示した３箇所Ｐ１〜Ｐ３の分光データと位相データを求めた。その結果を図１２及び図１３に示す。図１２は横軸を波長（nm）、縦軸を強度とするスペクトルを示し、図１３は横軸を波長（nm）、縦軸を位相差（deg.）とするグラフで、レターデーション量をプロットしたものである。図１２に示すように、Ｐ１〜Ｐ３の３箇所における発光強度には大きな差があるが、どの箇所でも光源の輝線スペクトルを確認できた。
一方、図１３に示すように、レターデーション量は、光源スペクトルのピーク波長以外では大きく変化し、ピーク波長（540〜560nm）付近では、比較的安定していた。ピーク波長以外でリタデーション量が大きく変化している理由は、発光強度が非常に低いときの位相計測が安定しないためと考えられる。なお、Ｐ２及びＰ３の箇所では、波長700nm近辺に特徴的な反射強度が観察された。

次に、スペクトルに特徴のある波長範囲540〜560nm、570〜590nm、670〜720nmの強度分布と位相分布を図１４に示す。図１４から、波長範囲540〜560nmにおいて特徴的な位相分布が測定され、波長範囲670〜720nmにおいて特徴的な強度分布が測定された。これにより、斜方照明法を用いた分光特性測定装置１においても、石材の内部反射成分の分光特性と複屈折特性の両方を同時に測定可能であることが確認された。

図１５〜図１８は実施例２に係る光学特性測定装置１を示している。実施例２に係る光学特性測定装置１は、位相シフター及び結像光学系の構成が実施例１と大きく異なっている。尚、図１６では、便宜上、結像光学系を構成する結像レンズ３５の前段に配置される検光子１５の図示を省略している。
実施例２では、光源３から出射され、偏光子５を透過した直線偏光成分は、試料Ｓの線状の測定領域Ｓ１に照射される。試料Ｓの測定領域Ｓ１に照射され、該測定領域Ｓ１を透過した光線は対物レンズ７に入射し、平行光束に変換された後、第１偏光板９及び第２偏光板１１を経て位相シフター３１に到達する。

位相シフター３１は、基準ミラー部３２、傾斜ミラー部３３、これらミラー部３２，３３を保持する保持部（図示せず）等を備えて構成されている。基準ミラー部３２及び傾斜ミラー部３３の表面（反射面）は光学的に平坦で且つ本装置１が測定対象とする光の波長帯域を反射可能な矩形状の光学鏡面となっている。また、基準ミラー部３２及び傾斜ミラー部３３の反射面はほぼ同じ大きさを有している。

物体のテクスチャーがある一方向に偏っている場合は、物体を光学的に構成する各輝点から生じる光（物体光）は特定の方向にのみ向かう。このため、位相シフター３１に到達する平行光束の光量分布に偏りが生じ、結像面である検出器１９の受光面１９ａ上に一様な光量分布が得られないおそれがある。一方、物体のテクスチャーが比較的ランダムな場合は、位相シフター３１に一様な光量分布で物体光が到達する。そこで、以下の説明では、試料Ｓのテクスチャーが比較的ランダムであることとし、位相シフター３１には一様な光量分布で光束が到達し、基準ミラー部３２及び傾斜ミラー部３３の反射面にはそれぞれ同量の光束が照射されることとする。

本実施例では、対物レンズ７、第１偏光板９及び第２偏光板１１が分割光学系に相当し、位相シフター３１が位相変化付与手段に相当する。
なお、以下の説明では、第１偏光板９から位相シフター３１の基準ミラー部３２の反射面に到達して反射され、検光子１５に至る光束を基準光束、第２偏光板１１から位相シフター３１の傾斜ミラー部３３の反射面に到達して反射され、検光子１５に至る光束を傾斜光束ともいう。

前記基準ミラー部３２は、対物レンズ７からの平行光束の光軸に対して反射面が例えば４５°傾くように配置されている。また、傾斜ミラー部３３は、対物レンズ７からの平行光束の光軸に対して反射面が（４５＋Δθ）°傾くように配置されている。このように基準ミラー部３２及び傾斜ミラー部３３を対物レンズ７からの平行光束に対して斜めに配置すれば、光束を分岐するためのビームスプリッタが不要となる。本実施例では対物レンズ７を用いているが、反射光学系でこの機能を構成することもできる。このようにすれば、分散の影響が全く無くなることから、広帯域の分光特性を計測できる。

また、基準ミラー部３２に対する傾斜ミラー部３３の傾斜角度、つまりΔθは結像光学系の倍率、測定波長範囲、波数分解能等の光学条件に基づき設定される。例えば、測定波長を可視領域から近赤外領域（400nm〜1000nm）とした場合、波長分解能：λ2/Δλ＝5nmを得るためには、中心波長λ＝700nmであることから、位相シフト量Δλ＝100μmになる。検出器１９（受光素子）としてＣＣＤカメラを用いた場合、およそ１ラインの画素数は５００画素程度である。このことから、１ラインあたりの位相シフト量が100μmの場合、１画素毎の位相差量は200nmになり、サンプリング定理から波長400nmまで測定可能となる。上述したように、測定波長は可視域から近赤外領域（400nm〜1000nm）であるから、１画素毎の位相差量が200nmであれば、短波長側のサンプリング定理を満たす。

また、一般的なＣＣＤカメラの１ラインあたりの位相シフト量が100μmであることから、その半分の50μm（100μm÷２）を基準ミラー部３２と傾斜ミラー部３３の最大幅とすればよく、例えば各ミラー部３２，３３の、光路方向（各ミラー部の傾斜方向）に沿う長さが約3mmのとき、傾斜角度は約1deg.となる。
また、特に、中赤外光などの長波長領域においては、インターフェログラムの干渉強度変化だけでなく、干渉強度変化の包絡線を長ストロークの位相シフト領域において取得しなくてはならない。これは、フーリエ分光の原理として、波数分解能を高くするためには位相シフト量を長くしなくてはならないことからも知られている。このように、長ストロークに渡ってインターフェログラムの包絡線を検出するためには、傾斜ミラー部３３に大きな傾斜角を設けなくてはならない。この場合、インターフェログラムの干渉強度変化を検出するためと、包絡線を検出するための２段階程度の傾き切り替え機構を設ければよい。中赤外領域で包絡線を計測する場合、位相シフト量が例えば50mm程度が必要になることから、光路方向に沿う長さを例えば100mmに長くして2.9deg.の傾きにすればよい。

位相シフター３１に到達し、基準ミラー部３２及び傾斜ミラー部３３の反射面で反射された基準光束及び傾斜光束は、それぞれ検光子１５を透過した後、結像レンズ３５に入射する。本実施例では、結像レンズ３５はシリンドリカルレンズから成り、その凸面部が位相シフター３１側を向き、平面部が検出器１９の受光面１９ａ側を向くように配置されている。検出器１９の受光面１９ａは結像レンズ３５の結像面に位置するため、測定領域Ｓ１の一輝点から発せられ、基準ミラー部３２及び傾斜ミラー部３３の反射面で反射された後、結像レンズ３５に入射した基準光束及び傾斜光束は、該結像レンズ３５により一方向にのみ収束され、検出器１９の受光面１９ａ上の同一直線上に集光することにより結像する。なお、本実施例では、結像レンズ３５は、その凸面部の曲率を有する方向（図１６に矢印Ｂで示す方向）が測定領域Ｓ１の方向と平行になるように配置されているものとする。このような配置により、結像レンズ３５に入射した基準光束及び傾斜光束は、受光面１９ａ上であって測定領域Ｓ１と直交する直線上に集光する。
基準ミラー部３２の反射面と傾斜ミラー部３３の反射面は、検出器１９（二次元ＣＣＤカメラ）の受光面１９ａ（結像面）で２つの光束の集光位置がずれない程度の精度で、相対的に平行な面となるように構成されている。

本実施例の測定原理について説明する。ここでは、基準光束が結像レンズ３５によって検出器１９の受光面１９ａで位相が揃った波として一直線上に集光する光学モデルに基づいて説明する。このとき、傾斜光束はその位相が基準光束の位相と徐々にずれた波として受光面１９ａに一直線上に集光する。

前述したように、試料Ｓの測定領域Ｓ１を透過した光束は、対物レンズ７、第１偏光板９及び第２偏光板１１を経て位相シフター３１の基準ミラー部３２及び傾斜ミラー部３３の表面に到達する。このとき、基準ミラー部３２の表面及び傾斜ミラー部３３の表面に光束が上下に二分割されて到達する。なお、基準ミラー部３２の表面に到達した光束即ち基準光束と、傾斜ミラー部３３の表面に到達した光束、即ち傾斜光束の光量がほぼ等しくなるように、両ミラー部３２，３３の表面の面積は設定されているが、基準光束及び傾斜光束の一方或いは両方の光路に減光フィルタを設置して相対的な光量差を調整し、光量の均等化を行うことも可能である。

基準ミラー部３２及び傾斜ミラー部３３の表面で反射された光束は、それぞれ基準光束及び傾斜光束として結像レンズ３５に入射し、検出器１９の受光面１９ａにおいて同一直線上に集光し、干渉像を形成する。このとき、基準光束は結像レンズ３５を経て結像面である受光面１９ａ上で位相が揃った波として集光するように構成されているため、図１７に示すように、基準光束の波面は検出器１９の受光面１９ａと平行な状態となる。一方、傾斜光束は、その光軸が基準光束の光軸に対して２×Δθ°傾いた状態で結像レンズ３５に入射するため、傾斜光束は、その波面が受光面１９ａに対してやや傾いた状態となる。

このとき、基準光束の波面に対して傾斜光束の波面が傾斜していることから、基準光束の光と傾斜光束の光の干渉領域では、両光束の間の光路長差が徐々に変化する（図１７では、右側から左側に向かって徐々に大きくなる）ことになる。つまり、実施例１では可動ミラー部１３１を徐々に移動させることで第１偏光と第２偏光との間に連続的に変化する位相差を与えているが、本実施例では、基準ミラー部３２に対して傾斜ミラー部３３が傾斜した状態で両ミラー部３２，３３を配置することで第１偏光と第２偏光との間に連続的な位相差変化を与えている。しかも、実施例１では時間的に位相差が変化するが、実施例２では空間的に位相差が変化することになる。
測定領域Ｓ１から発せられる光束には様々な波長の光が含まれる（且つ各波長の光の初期位相が必ずしも揃っていない）ことから、干渉領域の基準光束と傾斜光束の間の光路長差が連続的に変化することにより、また、波長毎のリタデーションの違いから、図１０（ａ）に示すようなインターフェログラムと似た合成波形を観察することができる。

例えば、図１６に示すように、測定領域Ｓ１の輝点（測定点）a1から発せられた光束は、受光面１９ａ（結像面）上の一直線上に集光することで線状の干渉像b1が得られ、輝点（測定点）a2から発せられた光束は、受光面１９ａ上の一直線上に集光することで線状の干渉像b2が得られる。各干渉像b1、b2の合成波形は、それぞれ干渉像に沿って並ぶ複数の画素の受光強度から得られる。従って、実施例２では、図１０（ａ）において、横軸は線状の干渉像に沿って並ぶ検出器１９の画素番号を、縦軸は結像強度（各画素の受光強度）を示すことになる。この画素番号を、画素ごとの位相シフト量により換算することにより、横軸が位相シフト量である合成波形が得られる。

処理部２３は、この合成波形をフーリエ変換することにより、測定領域Ｓ１の各輝点から発せられた光の波長毎の相対強度である分光特性及び波長毎のリタデーションを取得することができる。検出器１９の全ての画素を用いて分光特性を得ることができれば、測定領域Ｓ１の１次元分光計測が可能となる。また、直線偏光が照射される測定領域Ｓ１を走査すれば、被測定物Ｓの２次元分光計測が可能となる。さらに、測定領域Ｓ１を走査すると共に、対物レンズ７を移動させて合焦面（合焦位置を含む面）を走査することにより３次元分光計測が可能となる。

図１９〜図２１は本発明の実施例３を示している。図１９及び図２０に示すように、本実施例の分光特性測定装置１では、結像レンズ３５が、基準ミラー部３２で反射された基準光束が入射する基準レンズ部３５ａと傾斜ミラー部３３で反射された傾斜光束が入射する傾斜レンズ部３５ｂとに分割されている。基準レンズ部３５ａと傾斜レンズ部３５ｂは、実施例２の結像レンズ３５を２分割した形状を有しており、基準光束及び傾斜光束の一方の光軸に対する他方の光軸の傾きを維持したまま、検出器１９の受光面１９ａ（結像面）上に形成される線状の干渉像に沿って他方の光軸がずれるようにそれぞれ配置されている。つまり、これら基準レンズ部３５ａ及び傾斜レンズ部３５ｂは結像光学系及び光軸位置変更手段として機能する。
このような構成により、図２１に示すように、受光面１９ａ上において基準光束の光と傾斜光束の光が重複する領域、つまり干渉領域を大きくすることができる。

図２２は本発明の実施例４を示している。この実施例４では、実施例２の結像面の位置に光強度を単色光に変換する、例えば蛍光板などの単色光変換手段４１を設置し、これを物体面とした位置にシリンドリカルレンズ４３を配置している。そして、前記シリンドリカルレンズ４３の光学的フーリエ変換面に検出器１９の受光面１９ａが位置するように該検出器１９を配置している。シリンドリカルレンズ４３はその曲率を有しない方向が、線状の干渉像が延びる方向と直交するように配置されている。

この実施例４では、結像レンズ３５を透過した基準光束と傾斜光束の干渉像が、単色光変換手段４１により空間的な明るさ強度分布に変換される。そして、シリンドリカルレンズ４３によって光学的にフーリエ変換され、結像面上に分光スペクトルがリアルタイムに形成される。検出器１９の受光面１９ａがシリンドリカルレンズ４３のフーリエ変換面上にあるため、前記分光スペクトルの光強度分布を光学的に求めることにより、実施例２で得られた合成波形を数学的にフーリエ変換した場合と同じ分光特性及び複屈折性が得られる。すなわち、本実施例ではフーリエ変換処理をしなくても直接的に分光特性及び複屈折性が得られるので、より短時間に分光特性を得ることができる。なお、この実施例４では、単色光変換手段４１、シリンドリカルレンズ４３が分光光学系を構成する。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、適宜の変更が可能である。例えば、実施例１において結像レンズ１７の前に配置した検光子１５を当該結像レンズ１７の後に配置しても良い。ただし、結像レンズ１７の後に検光子１５を配置すると結像特性が劣化するため、実施例１のように結像レンズの前に配置することが好ましい。

１…光学特性測定装置
３…光源
５…偏光子
７…対物レンズ
９…第１偏光板
１１…第２偏光板
１３、３１…位相シフター
１５…検光子
１７…結像レンズ
１９…検出器
１９ａ…受光面
２１…レンズ駆動機構
２３…処理部
２５…制御部
３２…基準ミラー部
３３…傾斜ミラー部
３５…結像レンズ
３５ａ…基準レンズ部
３５ｂ…傾斜レンズ部
４１…単色光変換手段
４３…シリンドリカルレンズ
１３１…可動ミラー部
１３２…固定ミラー部

Claims (8)

1. a)直線偏光が入射された被測定物から発せられる光を第１偏光板及び第２偏光板に導く分割光学系と、
   b)前記第１偏光板を透過した第１偏光成分と前記第２偏光板を透過した第２偏光成分の合成成分のうち、所定の偏光方向の光を透過させる検光子と、
   c)前記検光子を透過した光を同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
   d)前記干渉像の光強度を検出する検出部と、
   e)前記第１偏光板及び第２偏光板から前記検光子に向かう第１偏光成分及び第２偏光成分の光路長の差を変化させることにより当該第１偏光成分と第２偏光成分の間の位相差を変化させる位相差付与手段と、
   f)前記位相差の変化に伴い前記検出部で検出される光強度の変化のデータをフーリエ変換することにより前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差を取得する処理部と
   を備え、
   前記第１偏光成分と前記第２偏光成分の偏光方向が直交し、且つ前記被測定物に入射する直線偏光の電界成分に対して前記第１偏光成分と前記第２偏光成分の偏光方向が４５°傾くように、前記第１偏光板及び前記第２偏光板が配置されていることを特徴とする光学特性測定装置。
2. a)直線偏光が入射された被測定物から発せられる光を第１偏光板及び第２偏光板に導く分割光学系と、
   b)前記第１偏光板を透過した第１偏光成分と前記第２偏光板を透過した第２偏光成分の合成成分のうち所定の偏光方向の光を透過させる検光子と、
   c)前記検光子を透過した光を、前記第１偏光成分及び第２偏光成分の光軸と異なる向きに延びる同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系と、
   d)前記第１偏光板及び第２偏光板から前記検光子に向かう第１偏光成分及び第２偏光成分の間に連続的な光路長差分布を与えることにより当該第１偏光成分と第２偏光成分の間に連続的な位相変化を与える位相変化付与手段と、
   e)前記線状の干渉像の該干渉像の延びる方向に沿った光強度分布を検出する検出部と、
   f)前記検出部で検出される前記干渉像の光強度分布を示すデータをフーリエ変換することにより前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差を取得する処理部と
   を備え、
   前記第１偏光成分と前記第２偏光成分の偏光方向が直交し、且つ前記被測定物に入射する直線偏光の電界成分に対して前記第１偏光成分と前記第２偏光成分の偏光方向が４５°傾くように、前記第１偏光板及び前記第２偏光板が配置されていることを特徴とする光学特性測定装置。
3. a)直線偏光が入射された被測定物から発せられる光を第１偏光板及び第２偏光板に導く分割光学系と、
   b)前記第１偏光板を透過した第１偏光成分と前記第２偏光板を透過した第２偏光成分の合成成分のうち、所定の偏光方向の光を透過させる検光子と、
   c)前記検光子を透過した光を、前記第１偏光成分及び第２偏光成分の光軸と異なる向きに延びる同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成する結像光学系と、
   d)前記第１偏光板及び第２偏光板から前記検光子に向かう第１偏光成分及び第２偏光成分の間に連続的な光路長差分布を与えることにより当該第１偏光成分と第２偏光成分の間に連続的な位相変化を与える位相変化付与手段と、
   e)前記線状の干渉像を波長分解して分光スペクトルを形成する分光光学系と、
   f)前記分光スペクトルの光強度分布を検出する検出部と、
   g)前記検出部で検出される光強度分布から前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差を取得する処理部と
   を備え、
   前記第１偏光成分と前記第２偏光成分の偏光方向が直交し、且つ前記被測定物に入射する直線偏光の電界成分に対して前記第１偏光成分と前記第２偏光成分の偏光方向が４５°傾くように、前記第１偏光板及び前記第２偏光板が配置されていることを特徴とする光学特性測定装置。
4. 前記分割光学系が、前記被測定物から発せられた光を平行光線化して第１偏光板及び第２偏光板に導く対物レンズを備え、
   前記処理部は、前記被測定物のうち前記対物レンズの合焦点から発せられた光の波長毎の振幅と複屈折位相差を求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学特性測定装置。
5. 前記被測定物に対する前記対物レンズの合焦位置を相対的に変更する合焦位置変更手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の光学特性測定装置。
6. a)直線偏光を被測定物に入射させ、
   b)前記直線偏光が入射された被測定物から発せられる光を分割光学系によって第１偏光板及び第２偏光板にそれぞれ導き、
   c)前記第１偏光板を透過した第１偏光成分と前記第２偏光板を透過した第２偏光成分を、該第１偏光成分と該第２偏光成分の光路長の差を変化させつつ検光子を介して結像光学系に導くと共に、該結像光学系によって同一点に集光させて干渉像を形成させ、
   d)前記干渉像の光強度の変化を示すデータをフーリエ変換することにより前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差を取得する方法であって、
   前記第１偏光成分と前記第２偏光成分の偏光方向が直交し、且つ前記被測定物に入射する直線偏光の電界成分に対して前記第１偏光成分と前記第２偏光成分の偏光方向が４５°傾くように、前記第１偏光板及び前記第２偏光板が配置されていることを特徴とする光学特性測定方法。
7. a)直線偏光を被測定物に入射させ、
   b)前記直線偏光が入射された被測定物から発せられる光を分割光学系によって第１偏光板と第２偏光板にそれぞれ導き、
   c)前記第１偏光板を透過した第１偏光成分と前記第２偏光板を透過した第２偏光成分を、該第１偏光成分と第２偏光成分の間に連続的な光路長差分布を付与しつつ検光子を介して結像光学系に導くと共に、該結像光学系によって同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成させ、
   d)前記線状の干渉像の該干渉像が延びる方向に沿った光強度分布を示すデータをフーリエ変換することにより前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差を取得する方法であって、
   前記第１偏光成分と前記第２偏光成分の偏光方向が直交し、且つ前記被測定物に入射する直線偏光の電界成分に対して前記第１偏光成分と前記第２偏光成分の偏光方向が４５°傾くように、前記第１偏光板及び前記第２偏光板が配置されていることを特徴とする光学特性測定方法。
8. a)直線偏光を被測定物に入射させ、
   b)前記直線偏光が入射された被測定物から発せられる光を分割光学系によって第１偏光板と第２偏光板にそれぞれ導き、
   c)前記第１偏光板を透過した第１偏光成分と前記第２偏光板を透過した第２偏光成分を、該第１偏光成分と第２偏光成分の間に連続的な光路長差分布を付与しつつ検光子を介して結像光学系に導くと共に、該結像光学系によって同一直線上に集光させて線状の干渉像を形成させ、
   d)前記線状の干渉像を分光光学系によって波長分解することにより分光スペクトルを取得し、
   e)前記分光スペクトルの光強度分布に基づき前記被測定物から発せられる光の波長毎の振幅と複屈折位相差を取得する方法であって、
   前記第１偏光成分と前記第２偏光成分の偏光方向が直交し、且つ前記被測定物に入射する直線偏光の電界成分に対して前記第１偏光成分と前記第２偏光成分の偏光方向が４５°傾くように、前記第１偏光板及び前記第２偏光板が配置されていることを特徴とする光学特性測定方法。