JP5747317B2 - Polarization measuring apparatus and polarization measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、分析対象光の偏光状態を測定する装置及び方法に関する。 The present invention relates to an apparatus and method for measuring the polarization state of light to be analyzed.
従来、分析対象光について楕円率などの偏光状態を測定する方法として、回転検光子法や回転位相子法が用いられてきた(特許文献1)。しかし、回転検光子法では、楕円率が余弦関数で与えられるため、試料の複屈折位相差が0°及び180°付近の場合、測定精度が悪くなる。また、複屈折や旋光は波長依存性を有するため、波長毎の評価が必要であるが、回転位相子法では、波長毎に位相子を取り替えて偏光状態を測定する必要があるため、偏光状態の波長分散を効率よく測定することができない。 Conventionally, the rotation analyzer method and the rotation phaser method have been used as methods for measuring the polarization state such as ellipticity of the analysis target light (Patent Document 1). However, in the rotational analyzer method, since the ellipticity is given by a cosine function, the measurement accuracy is deteriorated when the birefringence phase difference of the sample is around 0 ° and 180 °. In addition, since birefringence and optical rotation have wavelength dependence, evaluation for each wavelength is required. However, in the rotational phaser method, the polarization state must be measured by changing the phaser for each wavelength. Cannot be measured efficiently.
位相子と検光子とを回転させる2重回転法では、波長毎に位相子を取り替えることなく、偏光状態の波長分散を測定することができる(特許文献2)。しかし、いずれの測定法も、位相子や検光子の回転機構としてモータ等の駆動部を必要とするために装置が大型化し、位相子や検光子を機械的に回転するために測定時間が長くなる。また、ファラデーセルや光弾性変調器(PEM)などの光学材料を用いて偏光変調を行う場合には、高い電圧及び消費電力が必要である。更に、回転する位相子及び検光子による分析対象光の偏光変調はポアンカレ球において3つの軸(S1軸、S2軸、及びS3軸)回りの回転を含む複雑な動きとなるため、分析対象光の偏光状態を求めるための理論式も複雑となる。 In the double rotation method in which the phaser and the analyzer are rotated, the wavelength dispersion in the polarization state can be measured without changing the phaser for each wavelength (Patent Document 2). However, each measurement method requires a driving unit such as a motor as a phaser or analyzer rotation mechanism, which increases the size of the apparatus, and mechanically rotates the phaser or analyzer to increase the measurement time. Become. In addition, when polarization modulation is performed using an optical material such as a Faraday cell or a photoelastic modulator (PEM), high voltage and power consumption are required. Furthermore, the polarization modulation of the light to be analyzed by the rotating phaser and analyzer is a complicated motion including rotation around three axes (S 1 axis, S 2 axis, and S 3 axis) in the Poincare sphere. The theoretical formula for obtaining the polarization state of the target light is also complicated.
回転する位相子や検光子の代わりに液晶可変位相子を用いて偏光変調を行う装置及び方法が知られている(特許文献3及び特許文献4)。しかし、特許文献3の装置及び方法では、試料の光学特性を測定することはできるが、任意の分析対象光の偏光状態を測定することはできない。また、特許文献4の装置及び方法では、波長毎に偏光状態を測定する必要があるため、偏光状態の波長分散を効率よく測定することができない。
An apparatus and a method for performing polarization modulation using a liquid crystal variable phase shifter instead of a rotating phase shifter or an analyzer are known (
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、分析対象光の偏光状態及びその波長分散を効率よく測定することができる偏光測定装置及び偏光測定方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a polarization measuring device and a polarization measuring method capable of efficiently measuring the polarization state and wavelength dispersion of analysis target light. That is.
上記目的を達成するため、本発明に係る偏光測定装置は、
分析対象光の偏光状態を測定する偏光測定装置であって、
分析対象光を偏光変調する偏光変調器と、
偏光変調された光の所定の偏光成分を透過させる検光子と、
検光子を透過した光の光強度を検出する検出手段と、
検出手段により検出された光強度に基づいて分析対象光の偏光特性要素を演算する演算部と
を備え、
偏光変調器は、第1の可変位相子と、第1の可変位相子と検光子との間に配置された第2の可変位相子とを含み、
第2の可変位相子の主軸は第1の可変位相子の主軸に対して45°の奇数倍傾いている。
In order to achieve the above object, a polarization measuring device according to the present invention is
A polarization measuring device for measuring the polarization state of light to be analyzed,
A polarization modulator for polarization-modulating the light to be analyzed;
An analyzer that transmits a predetermined polarization component of polarization-modulated light; and
Detecting means for detecting the light intensity of the light transmitted through the analyzer;
A calculation unit that calculates the polarization characteristic element of the light to be analyzed based on the light intensity detected by the detection means,
The polarization modulator includes a first variable phase shifter, and a second variable phase shifter disposed between the first variable phase shifter and the analyzer,
The main axis of the second variable phase shifter is inclined by an odd multiple of 45 ° with respect to the main axis of the first variable phase shifter.
また、本発明に係る偏光測定方法は、
分析対象光の偏光状態を測定する偏光測定方法であって、
分析対象光を第1の可変位相子により偏光変調する工程と、
第1の可変位相子により偏光変調された光を第2の可変位相子により偏光変調する工程と、
第2の可変位相子により偏光変調された光のうち検光子を透過した直線偏光成分の光強度を検出する工程と、
検出された光強度に基づいて分析対象光の偏光特性要素を演算する工程と
を含み、
第2の可変位相子の主軸は第1の可変位相子の主軸に対して45°の奇数倍傾いている。
Moreover, the polarization measuring method according to the present invention includes:
A polarization measurement method for measuring the polarization state of light to be analyzed,
Polarization-modulating light to be analyzed by a first variable phase shifter;
Polarization-modulating light polarization-modulated by the first variable phase retarder using the second variable phase retarder;
Detecting the light intensity of the linearly polarized light component transmitted through the analyzer from the light modulated by the second variable phase shifter;
Calculating the polarization characteristic element of the light to be analyzed based on the detected light intensity,
The main axis of the second variable phase shifter is inclined by an odd multiple of 45 ° with respect to the main axis of the first variable phase shifter.
本発明によれば、分析対象光の偏光状態及びその波長分散を効率よく測定することができる偏光測定装置及び偏光測定方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the polarization measuring apparatus and polarization measuring method which can measure efficiently the polarization state and its wavelength dispersion of analysis object light can be provided.
図1は、本発明に係る偏光測定装置10を含む光学測定装置の実施形態を示す。
FIG. 1 shows an embodiment of an optical measuring device including a
光学測定装置は、分析対象光として試料Sを透過した光を偏光測定装置10に入射させるために、試料Sに光を照射する光源12を含む。光源12として、例えば、ハロゲンランプなどの白色光源を使用することができる。
The optical measurement device includes a
光学測定装置は、光路Lに沿って光源12と試料Sとの間に配置された光ファイバー14と、コリメートレンズ16と、干渉フィルタ18とを更に含む。光ファイバー14は、光源12からの光を点光源とする。光ファイバー14として、例えば、直径200μmのものを使用することができる。コリメートレンズ16は、光ファイバー14により点光源にされた光を平行光とする。干渉フィルタ18は、コリメートレンズにより平行光にされた光を単色光とする。
The optical measurement device further includes an
偏光測定装置10は、分析対象光(この実施形態では、試料Sを透過した光)を偏光変調する偏光変調器20と、偏光変調された光の所定の偏光成分を透過させる検光子30と、検光子30を透過した光の光強度を検出する検出手段40と、検出手段40により検出された光強度に基づいて分析対象光の偏光特性要素を演算する演算部60とを備える。
The
偏光変調器20は、複屈折位相差を変化させることができる2つの可変位相子21、22を含む。可変位相子21、22は、例えば、ネマティック液晶セルを含む液晶可変位相子からなる。ネマティック液晶セルとして、例えば、液晶の屈折率異方性Δnが0.2、セルギャップが5.5μmのものを使用することができる。
The
分析対象光の進行方向の手前側に配置された第1の液晶可変位相子21は、任意の方向に主軸(進相軸又は遅相軸)を有する。第1の液晶可変位相子21の主軸方位を0°とすると、第1の液晶可変位相子21は、その複屈折位相差δ1に応じて任意の偏光のストークスパラメータS2及びS3を変化させる。すなわち、第1の液晶可変位相子21は、図2に示すように、ポアンカレ球において任意の偏光状態を示す点PをS1軸回りに回転させる。
The first liquid crystal
分析対象光の進行方向の奥側に配置された第2の液晶可変位相子22は、第1の液晶可変位相子21の主軸方位に対して45°の奇数倍傾いた方向に主軸(進相軸又は遅相軸)を有する。第1の液晶可変位相子21の主軸方位を0°としたので、第2の液晶可変位相子22の主軸方位は45°の奇数倍となり、第2の液晶可変位相子22は、その複屈折位相差δ2に応じて任意の偏光のストークスパラメータS1及びS3を変化させる。すなわち、第2の液晶可変位相子22は、図3に示すように、ポアンカレ球において任意の偏光状態を示す点PをS2軸回りに回転させる。
The second liquid crystal
偏光変調器20は、主軸方位が0°である第1の液晶可変位相子21と、主軸方位が45°の奇数倍である第2の液晶可変位相子22とを備えるので、分析対象光のストークスパラメータS2及びS3を第1の液晶可変位相子21の複屈折位相差δ1に応じて変化させ、次いでストークスパラメータS1及びS3を第2の液晶可変位相子22の複屈折位相差δ2に応じて変化させる。すなわち、偏光変調器20は、図4に示すように、ポアンカレ球において分析対象光の偏光状態を示す点P0をS1軸回りの回転により矢印aで示すように点P1に移動させ、更に点P1をS2軸回りの回転により矢印bで示すように点P2に移動させる。
Since the
2つの液晶可変位相子の主軸方位をこのように設定したことにより、偏光変調器20による分析対象光の偏光変調は、ポアンカレ球において2つの軸(S1軸及びS2軸)回りの回転のみを含み、S3軸回りの回転を含まない単純な動きとなるため、分析対象光の偏光状態を求めるための理論式を単純にすることができる。
By setting the principal axis directions of the two liquid crystal variable phase shifters in this way, the polarization modulation of the light to be analyzed by the
偏光変調器20は更に、液晶可変位相子21、22を取り囲む恒温ブロック23と、液晶可変位相子21、22の温度を制御する温度制御部24とを含む。温度制御部24は、液晶可変位相子21、22の温度を感知する温度センサ25と、ペルチェ素子26と、温度センサ25が感知した温度に基づいてペルチェ素子26を制御するペルチェコントローラ27とを含む。
The polarization modulator 20 further includes a
検光子30は、偏光変調器20により偏光変調された光の特定方向の直線偏光成分を透過させる。検光子30は、第1の液晶可変位相子21の主軸方位に対して45°の偶数倍傾いた方向に主軸(透過軸)を有する直線偏光子であり、任意の偏光のストークスパラメータS1に相当する垂直直線偏光成分を透過させる。すなわち、検光子30は、図5に示すように、ポアンカレ球において任意の偏光状態を示す点P2をS1軸に投影した点P3に移動させる。
The
検出手段40は、検光子30を透過した直線偏光の光強度を検出する。検出手段40は、受光センサとしてフォトセンサを含む。
The detection means 40 detects the light intensity of linearly polarized light that has passed through the
偏光測定装置10は、制御装置50として、演算部60と、制御信号発生部70と、記憶部80とを含む。
The
演算部60は、分析対象光の偏光状態を示す偏光特性要素、例えばストークスパラメータを演算する。演算部60が演算する偏光特性要素は、ストークスパラメータ、楕円率角、方位角を含み得る。偏光測定装置10が光学測定装置の一部として構成される場合、演算部60は、分析対象光のストークスパラメータに基づいて、試料Sの旋光度、複屈折、ミュラー行列等を演算する。
The
制御信号発生部70は、第1及び第2の液晶可変位相子21、22の複屈折位相差を変化させるために、第1及び第2の液晶可変位相子21、22の各々への印加電圧を制御する信号を発生する。
The
記憶部80は、検出手段40が検出した光強度、演算部60が演算した分析対象光の偏光特性要素などを一時的に記憶する。
The
上記の構成によれば、2つの液晶可変位相子への印加電圧を変えることにより2つの液晶可変位相子の複屈折位相差を変化させて光強度を検出することができるので、分析対象光のストークスパラメータ等の偏光状態、及びその波長分散を容易に測定することができる。また、2つの液晶可変位相子を含む偏光変調器を用い、位相子や検光子を回転せずに測定を行うので、位相子や検光子を回転するための駆動部が不要である。したがって、装置を小型化し、駆動電圧及び消費電力を低減することができる。更に、機械的な駆動がないため、測定速度を向上することができ、機械的な故障を低減することができる。 According to the above configuration, the light intensity can be detected by changing the birefringence phase difference between the two liquid crystal variable phase shifters by changing the voltage applied to the two liquid crystal variable phase shifters. It is possible to easily measure the polarization state such as the Stokes parameter and its wavelength dispersion. In addition, since a polarization modulator including two liquid crystal variable phase shifters is used and measurement is performed without rotating the phase shifter or analyzer, a driving unit for rotating the phase shifter or analyzer is not necessary. Therefore, the apparatus can be downsized, and the driving voltage and power consumption can be reduced. Furthermore, since there is no mechanical drive, the measurement speed can be improved and mechanical failure can be reduced.
以上、本発明の実施形態における偏光測定装置10を説明したが、本発明に係る偏光測定装置はこれに限定されるものではない。偏光測定装置10の各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
The
干渉フィルタ18は、検光子30と検出手段40の間に配置しても良い。或いは、干渉フィルタ18を用いる代わりに、検出手段40を分光手段としての回折格子と受光手段としての光検出アレイとを有する分光受光器としてもよい。これにより、分光受光器に入射した光を回折格子により波長毎に分光し、光検出アレイを構成するそれぞれの受光素子により波長毎の光強度を同時に検出することができる。したがって、偏光状態の波長分散をより効率よく測定することができる。
The
続いて、本発明に係る偏光測定装置及び偏光測定方法による測定の原理を、数式を簡単にするために、第1の液晶可変位相子21の主軸方位を0°とし、第2の液晶可変位相子22の主軸方位を45°とし、検光子30の主軸方位を90°として説明する。
Subsequently, in order to simplify the mathematical formula of the principle of measurement by the polarization measuring apparatus and the polarization measuring method according to the present invention, the principal axis direction of the first liquid crystal
分析対象光の各波長λにおけるストークスパラメータをS0(λ)、S1(λ)、S2(λ)、S3(λ)とすると、分析対象光の各波長におけるストークスベクトルSINは、
主軸方位が0°である第1の液晶可変位相子21のミュラー行列LC1は、
主軸方位が45°である第2の液晶可変位相子22のミュラー行列LC2は、
主軸方位が90°である検光子30のミュラー行列Aは、
式(7)から、検出手段40によって検出される各波長の光強度I(δ1(λ),δ2(λ))は、ストークスベクトルSOUTのS0成分であるので、以下の式で表される。
第1及び第2の液晶可変位相子21、22の複屈折位相差δ1(λ)、δ2(λ)をδ1(λ)=δ2(λ)=δ(λ)とすると、光強度I(δ(λ))は以下の式で表される。
式(9)をδに対してフーリエ解析したときのフーリエ級数の各係数は、ストークスパラメータS0(λ)、S1(λ)、S2(λ)、S3(λ)により以下の式で表される。
したがって、分析対象光のストークスパラメータS0(λ)、S1(λ)、S2(λ)、S3(λ)は、それぞれ以下の式で表される。
以上から、本発明に係る装置及び方法は、位相変調量δ(λ)を変化させて各波長の検出した光強度I(δ(λ))をフーリエ解析することにより、分析対象光の各波長のストークスパラメータS0(λ)、S1(λ)、S2(λ)、S3(λ)を算出することができる。 From the above, the apparatus and method according to the present invention change the phase modulation amount δ (λ) and Fourier-analyze the detected light intensity I (δ (λ)) at each wavelength, thereby analyzing each wavelength of the light to be analyzed. Stokes parameters S 0 (λ), S 1 (λ), S 2 (λ), and S 3 (λ) can be calculated.
図6に示すように、液晶可変位相子への印加電圧と液晶可変位相子の複屈折位相差との関係は波長によって異なるので、予め測定したそれぞれの波長における印加電圧と複屈折位相差との関係に基づいて、波長毎に印加電圧を複屈折位相差へ換算できるようにしておくことにより、それぞれの波長のストークスパラメータを測定することができる。 As shown in FIG. 6, the relationship between the voltage applied to the liquid crystal variable phase retarder and the birefringence phase difference of the liquid crystal variable phase retarder varies depending on the wavelength. By making it possible to convert the applied voltage into a birefringence phase difference for each wavelength based on the relationship, the Stokes parameters for each wavelength can be measured.
また、ストークスパラメータが得られることにより、方位角や楕円率角などの他の偏光特性要素を容易に得ることができる。偏光測定装置が表示部(図示せず)を更に含む場合、分析対象光のストークスパラメータをポアンカレ球表示することにより、分析対象光の偏光状態を容易に視覚化することができる。また、本発明に係る偏光測定装置が光学特性測定装置に組み込まれる場合には、試料の旋光度、複屈折、ミュラー行列等も容易に測定することができる。 Further, by obtaining the Stokes parameter, other polarization characteristic elements such as an azimuth angle and an ellipticity angle can be easily obtained. When the polarization measuring device further includes a display unit (not shown), the polarization state of the light to be analyzed can be easily visualized by displaying the Stokes parameter of the light to be analyzed as a Poincare sphere. Further, when the polarization measuring device according to the present invention is incorporated in an optical property measuring device, the optical rotation, birefringence, Mueller matrix, etc. of the sample can be easily measured.
本発明に係る装置及び方法による測定の原理を、数式を簡単にするために、主軸方位0°の第1の液晶可変位相子21と、主軸方位45°の第2の液晶可変位相子22と、主軸方位90°の検光子30とを用いた場合について説明した。しかし、第1の液晶可変位相子21の主軸方位は分析対象光の進行方向に垂直な任意の方向とすることができる。このとき、第1の液晶可変位相子21の主軸方位に対して、第2の液晶可変位相子22の主軸方位を45°の奇数倍傾いた方向とし、検光子30の主軸方位を45°の偶数倍傾いた方向とすることにより、分析対象光のストークスパラメータを同様に算出することができる。
In order to simplify the mathematical expression of the principle of measurement by the apparatus and method according to the present invention, a first liquid crystal
光強度の式(9)は、第1の可変位相子21の主軸方位に対する第2の可変位相子22の主軸方位及び検光子30の主軸方位の組み合わせによって異なる。光強度の式が異なる他の3つの組合せの例を第1〜第3の変更例として以下に示す。
The formula (9) of the light intensity differs depending on the combination of the main axis direction of the second
第1の変更例として、第1の可変位相子21の主軸方位を0°とし、第2の液晶可変位相子22の主軸方位を45°とし、検光子30の主軸方位を0°とすると、検光子30を通過した光のストークスベクトルSOUT、検出手段40によって検出される各波長の光強度I(δ1(λ),δ2(λ))は、以下の式で表される。
第1及び第2の液晶可変位相子21、22の複屈折位相差δ1(λ)、δ2(λ)をδ1(λ)=δ2(λ)=δ(λ)とすると、光強度I(δ(λ))は以下の式で表される。
第2の変更例として、第1の可変位相子21の主軸方位を0°とし、第2の液晶可変位相子22の主軸方位を−45°とし、検光子30の主軸方位を90°とすると、検光子30を通過した光のストークスベクトルSOUT、検出手段40によって検出される各波長の光強度I(δ1(λ),δ2(λ))は、以下の式で表される。
第1及び第2の液晶可変位相子21、22の複屈折位相差δ1(λ)、δ2(λ)をδ1(λ)=δ2(λ)=δ(λ)とすると、光強度I(δ(λ))は以下の式で表される。
第3の変更例として、第1の可変位相子21の主軸方位を0°とし、第2の液晶可変位相子22の主軸方位を−45°とし、検光子30の主軸方位を0°とすると、検光子30を通過した光のストークスベクトルSOUT、検出手段40によって検出される各波長の光強度I(δ1(λ),δ2(λ))は、以下の式で表される。
第1及び第2の液晶可変位相子21、22の複屈折位相差δ1(λ)=δ2(λ)=δ(λ)とすると、光強度I(δ(λ))は以下の式で表される。
したがって、第1〜3の変更例においても、式(13)、(15)、(17)をδに対してフーリエ解析したときのフーリエ係数から、同様に析対象光のストークスパラメータS0(λ)、S1(λ)、S2(λ)、S3(λ)を算出することができる。また、第1の液晶可変位相子21の主軸方位を0°以外の任意の方向とした場合でも、第1の液晶可変位相子21の主軸方位に対する第2の液晶可変位相子22の主軸方位及び検光子30の主軸方位に応じて、式(9)、(13)、(15)、(17)のいずれかに基づいて、光強度I(δ(λ))をフーリエ解析することにより、分析対象光のストークスパラメータを同様に算出することができる。
Therefore, also in the first to third modified examples, the Stokes parameter S 0 (λ) of the light to be analyzed is similarly obtained from the Fourier coefficients obtained when the expressions (13), (15), and (17) are Fourier-analyzed with respect to δ. ), S 1 (λ), S 2 (λ), and S 3 (λ) can be calculated. Further, even when the principal axis orientation of the first liquid crystal
尚、検光子30の主軸方位は、必ずしも第1の液晶可変位相子21の主軸方位に対して45°の偶数倍傾いた方向でなくてもよい。しかし、例えば、第1の液晶可変位相子21の主軸方位を0°とし、第2の液晶可変位相子22の主軸方位を−45°としたとき、検光子30の主軸方位を45°とすると、検光子30を通過した直線偏光の光強度の式には、分析対象光のストークスパラメータS0(λ)、S1(λ)、S2(λ)、S3(λ)のすべてが含まれず、分析対象光のストークスパラメータを得ることができない。したがって、検光子30の主軸方位は、検光子30を通過した直線偏光の光強度の式に分析対象光のストークスパラメータS0(λ)、S1(λ)、S2(λ)、S3(λ)のすべてが含まれるように選択される必要がある。
The main axis direction of the
サンプリング数を減らすために、フーリエ解析による方法の代わりに、液晶可変位相子の位相変調量δを0°、45°、90°、135°としたときの光強度I(0)、I(45)、I(90)、I(135)を用いてストークスパラメータを得ることもできる。それぞれの光強度は、
したがって、この方法でも分析対象光のストークスパラメータを算出することができる。なお、位相変調量δを0°、45°、90°、135°とするために第1及び第2の液晶可変位相子21、22へ印加する電圧は波長によって異なるので、この方法ではそれぞれの位相変調量δにおける光強度の検出を波長毎に行う必要がある。
Therefore, the Stokes parameter of the analysis target light can also be calculated by this method. Note that the voltage applied to the first and second liquid crystal
測定例1
本発明の実施形態である図1に示した偏光測定装置を使用し、試料として光軸回りに回転可能な偏光子を用い、試料を透過した分析対象光のストークスパラメータS0(λ)、S1(λ)、S2(λ)、S3(λ)を測定した。測定は、試料としての偏光子を10°ずつ回転させて行った。また、測定したストークスパラメータS1及びS2を用いて、以下の式(20)から方位角ψ(λ)を求めた。
The polarization measuring apparatus shown in FIG. 1, which is an embodiment of the present invention, uses a polarizer that can rotate around the optical axis as a sample, and uses the Stokes parameters S 0 (λ), S of the light to be analyzed that has passed through the sample. 1 (λ), S 2 (λ), and S 3 (λ) were measured. The measurement was performed by rotating the polarizer as a sample by 10 °. Further, the azimuth angle ψ (λ) was obtained from the following equation (20) using the measured Stokes parameters S 1 and S 2 .
図7は、測定したストークスパラメータS1(λ)、S2(λ)、S3(λ)をプロットしたポアンカレ球を示す。図7から、測定したストークスパラメータS1(λ)、S2(λ)、S3(λ)がポアンカレ球の赤道に沿ってプロットされていることが分かる。これは、分析対象光のストークスパラメータS3が概ねゼロであること、すなわち試料としての偏光子を通過した光の偏光状態が直線偏光であることを示す。また、測定毎(偏光子の回転毎)に、直線偏光の方位角が変化していることが分かる。 FIG. 7 shows a Poincare sphere in which measured Stokes parameters S 1 (λ), S 2 (λ), and S 3 (λ) are plotted. FIG. 7 shows that the measured Stokes parameters S 1 (λ), S 2 (λ), and S 3 (λ) are plotted along the equator of the Poincare sphere. This indicates that it is analyzed light of the Stokes parameter S 3 is generally zero, i.e. the polarization state of light passing through the polarizer as a sample is linearly polarized light. It can also be seen that the azimuth angle of the linearly polarized light changes every measurement (each rotation of the polarizer).
図8は、偏光子の光軸回りの回転角と、測定したストークスパラメータS1(λ)及びS2(λ)から求めた方位角ψ(λ)との関係を示す。図8から、偏光子による出射偏光角度に対して、直線偏光の方位角が線形性よく測定されていることが分かる。したがって、本発明の偏光測定装置によって、分析対象光のストークスパラメータS1(λ)及びS2(λ)が精度良く測定されたことが分かる。 FIG. 8 shows the relationship between the rotation angle of the polarizer around the optical axis and the azimuth angle ψ (λ) obtained from the measured Stokes parameters S 1 (λ) and S 2 (λ). FIG. 8 shows that the azimuth angle of linearly polarized light is measured with good linearity with respect to the outgoing polarization angle by the polarizer. Therefore, it can be seen that the Stokes parameters S 1 (λ) and S 2 (λ) of the light to be analyzed were accurately measured by the polarization measuring device of the present invention.
測定例2
本発明の実施形態である図1に示した偏光測定装置を使用し、試料として液晶可変位相子を用い、試料を透過した分析対象光のストークスパラメータS0(λ)、S1(λ)、S2(λ)、S3(λ)を測定した。液晶可変位相子には配向方向45°のネマテッィク液晶セルを使用した。測定は、印加電圧を制御することにより試料としての液晶可変位相子の複屈折位相差を変化させて行った。
Measurement example 2
The polarization measuring apparatus shown in FIG. 1, which is an embodiment of the present invention, uses a liquid crystal variable phase shifter as a sample, and Stokes parameters S 0 (λ), S 1 (λ) of the analysis target light transmitted through the sample, S 2 (λ) and S 3 (λ) were measured. As the liquid crystal variable phase shifter, a nematic liquid crystal cell having an orientation direction of 45 ° was used. The measurement was performed by changing the birefringence phase difference of the liquid crystal variable phase retarder as a sample by controlling the applied voltage.
液晶可変位相子を透過した分析対象光のストークスパラメータS0(λ)、S1(λ)、S2(λ)、S3(λ)は、以下の式(21a)で表される。測定したストークスパラメータS1(λ)及びS3(λ)を用いて、式(21b)から複屈折位相差δ(λ)を求めた。また、測定したストークスパラメータS0(λ)とS3(λ)を用いて、式(21c)から楕円率角χ(λ)を求めた。
図9は、測定したストークスパラメータS1(λ)、S2(λ)、S3(λ)をプロットしたポアンカレ球を示す。図9から、測定したストークスパラメータS1(λ)、S2(λ)、S3(λ)がS2軸を中心にポアンカレ球の経線に沿ってプロットされていることが分かる。これは、分析対象光の偏光状態が円偏光と直線偏光との間で変化していることを表している。 FIG. 9 shows a Poincare sphere in which the measured Stokes parameters S 1 (λ), S 2 (λ), and S 3 (λ) are plotted. FIG. 9 shows that the measured Stokes parameters S 1 (λ), S 2 (λ), and S 3 (λ) are plotted along the meridian of the Poincare sphere around the S 2 axis. This indicates that the polarization state of the light to be analyzed changes between circularly polarized light and linearly polarized light.
図10は、印加電圧を制御することにより設定した液晶可変位相子の複屈折位相差の設定値と、測定したストークスパラメータS1(λ)及びS3(λ)を用いて式(21b)から求めた複屈折位相差との関係を示す。図10から、測定結果から求めた液晶可変位相子の複屈折位相差が、設定値とよく対応していることが分かる。すなわち、分析対象光の偏光状態から、分析対象光が透過した試料の光学特性が精度よく測定されていることが分かる。 FIG. 10 is obtained from the equation (21b) using the set value of the birefringence phase difference of the liquid crystal variable phase retarder set by controlling the applied voltage and the measured Stokes parameters S 1 (λ) and S 3 (λ). The relationship with the obtained birefringence phase difference is shown. FIG. 10 shows that the birefringence phase difference of the liquid crystal variable phase retarder obtained from the measurement result corresponds well with the set value. That is, it can be seen from the polarization state of the analysis target light that the optical characteristics of the sample through which the analysis target light is transmitted are accurately measured.
図11は、液晶可変位相子の複屈折位相差の設定値と、測定したストークスパラメータS0(λ)とS3(λ)から導いた楕円率角χ(λ)との関係を示す。図11から、楕円率角χ(λ)が線形性よく測定されていることが読み取れる。したがって、本発明の偏光測定装置によって、分析対象光のストークスパラメータS3(λ)も精度良く測定されたことが分かる。 FIG. 11 shows the relationship between the set value of the birefringence phase difference of the liquid crystal variable phase retarder and the ellipticity angle χ (λ) derived from the measured Stokes parameters S 0 (λ) and S 3 (λ). From FIG. 11, it can be seen that the ellipticity angle χ (λ) is measured with good linearity. Therefore, it can be seen that the Stokes parameter S 3 (λ) of the light to be analyzed was also accurately measured by the polarization measuring device of the present invention.
測定例3
本発明の実施形態である図1に示した偏光測定装置を使用し、試料として中心波長590nm、水晶製の1/4波長板を用い、試料を透過した分析対象光のストークスパラメータを測定した。波長486nm、590nm、656nmの干渉フィルタを用いて、ストークスパラメータの波長分散も測定した。また、それぞれの波長で測定したストークスパラメータから、測定例2と同様に式(21b)を用いて試料の複屈折位相差を算出した。
Measurement example 3
The polarization measuring apparatus shown in FIG. 1 which is an embodiment of the present invention was used, and a Stokes parameter of light to be analyzed that was transmitted through the sample was measured using a ¼ wavelength plate made of quartz with a center wavelength of 590 nm. Stokes parameter chromatic dispersion was also measured using interference filters with wavelengths of 486 nm, 590 nm, and 656 nm. Further, from the Stokes parameters measured at the respective wavelengths, the birefringence phase difference of the sample was calculated using Equation (21b) in the same manner as in Measurement Example 2.
図12は、波長486nm、590nm、656nmでのストークスパラメータ測定値から算出した試料の複屈折位相差を示す。また実線は、以下の複屈折位相差の式と、厚さd=1.65μmと、各波長における水晶の常光屈折率no(λ)及び異常光屈折率ne(λ)の値とを用いたシミュレーションにより求めた1/4波長板の複屈折位相差の波長分散曲線である。
測定値から求めたそれぞれの波長における試料の複屈折位相差はいずれも、シミュレーションにより求めた複屈折位相差の波長分散曲線上に乗っている。本発明の偏光測定装置によって、分析対象光のストークスパラメータの波長分散が精度良く測定され、それにより分析対象光が透過した試料の波長分散もまた精度良く測定されていることが分かる。 The birefringence phase difference of the sample at each wavelength obtained from the measured value is on the wavelength dispersion curve of the birefringence phase difference obtained by simulation. It can be seen that the chromatic dispersion of the Stokes parameter of the light to be analyzed is accurately measured by the polarization measuring device of the present invention, whereby the wavelength dispersion of the sample through which the light to be analyzed is also accurately measured.
以上、本発明の実施形態に係る偏光測定装置及び偏光測定方法を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。 The polarization measuring apparatus and the polarization measuring method according to the embodiment of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to this.
10 偏光測定装置
12 光源
14 光ファイバー
16 コリメートレンズ
18 干渉フィルタ
20 偏光変調器
21 第1の液晶可変位相子
22 第2の液晶可変位相子
23 恒温ブロック
24 温度制御部
25 温度センサ
26 ペルチェ素子
27 ペルチェコントローラ
30 検光子
40 検出手段
50 制御装置
60 演算部
70 制御信号発生部
80 記憶部
S 試料
L 光路
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記分析対象光を偏光変調する偏光変調器と、
前記偏光変調器により偏光変調された光のうち所定の偏光成分を透過させる検光子と、
前記検光子を透過した所定の偏光成分の光強度を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された光強度に基づいて前記分析対象光の偏光特性要素を演算する演算部と
を備え、
前記偏光変調器は、第1の可変位相子と、前記第1の可変位相子と前記検光子との間に配置された第2の可変位相子とを含み、
前記第2の可変位相子の主軸は前記第1の可変位相子の主軸に対して45°の奇数倍傾いており、
前記検出手段は分光手段と受光手段とを有し、
前記演算部は、各波長における各可変位相子への印加電圧と各可変位相子の複屈折位相差との関係に基づいて各波長の偏光特性要素を演算する、偏光測定装置。 A polarization measuring device for measuring the polarization state of light to be analyzed,
A polarization modulator for polarization-modulating the light to be analyzed;
An analyzer for transmitting a predetermined polarization component of the polarization modulated light by the polarization modulator,
Detection means for detecting the light intensity of a predetermined polarization component transmitted through the analyzer;
A calculation unit that calculates a polarization characteristic element of the analysis target light based on the light intensity detected by the detection unit;
The polarization modulator includes a first variable phase shifter, and a second variable phase shifter disposed between the first variable phase shifter and the analyzer,
The main axis of the second variable phaser is inclined by an odd multiple of 45 ° with respect to the main axis of the first variable phaser,
The detecting means has a spectroscopic means and a light receiving means,
The said calculating part is a polarization measuring device which calculates the polarization characteristic element of each wavelength based on the relationship between the applied voltage to each variable phase shifter in each wavelength, and the birefringence phase difference of each variable phase shifter .
前記制御部は、前記第1の可変位相子の複屈折位相差が常に前記第2の可変位相子の複屈折位相差と等しいように印加電圧を制御し、
前記演算部は、前記第1及び第2の可変位相子の複屈折位相差を変化させて検出した光強度をフーリエ解析し、得られたフーリエ係数に基づいて、前記分析対象光の偏光特性要素を演算する、請求項1に記載の偏光測定装置。 A controller for controlling a voltage applied to each of the first and second variable phase shifters to change a birefringence phase difference between the first and second variable phase shifters;
The controller controls the applied voltage so that the birefringence phase difference of the first variable phase shifter is always equal to the birefringence phase difference of the second variable phase shifter;
The arithmetic unit Fourier-analyzes the detected light intensity by changing the birefringence phase difference of the first and second variable phase shifters, and based on the obtained Fourier coefficient, the polarization characteristic element of the analysis target light The polarization measuring device according to claim 1, wherein
前記分析対象光を第1の可変位相子により偏光変調する工程と、
前記第1の可変位相子により偏光変調された光を第2の可変位相子により偏光変調する工程と、
前記第2の可変位相子により偏光変調された光のうち検光子を透過した直線偏光成分の光強度を検出手段により検出する工程と、
前記検出手段により検出された光強度に基づいて前記分析対象光の偏光特性要素を演算する工程と
を含み、
前記第2の可変位相子の主軸は前記第1の可変位相子の主軸に対して45°の奇数倍傾いており、
前記検出手段は分光手段と受光手段とを有し、
前記演算工程では、各波長における各可変位相子への印加電圧と各可変位相子の複屈折位相差との関係に基づいて各波長の偏光特性要素を演算部で演算する、偏光測定方法。 A polarization measurement method for measuring the polarization state of light to be analyzed,
Polarization-modulating the light to be analyzed by a first variable phase shifter;
Polarization-modulating light polarization-modulated by the first variable phase retarder with a second variable phase retarder;
Detecting the light intensity of the linearly polarized light component transmitted through the analyzer out of the light polarized and modulated by the second variable phase shifter;
Calculating a polarization characteristic element of the light to be analyzed based on the light intensity detected by the detection means ,
The main axis of the second variable phaser is inclined by an odd multiple of 45 ° with respect to the main axis of the first variable phaser,
The detection means possess a spectral unit light receiving means,
In the calculation step, a polarization measurement method in which the calculation unit calculates a polarization characteristic element of each wavelength based on a relationship between a voltage applied to each variable phase shifter at each wavelength and a birefringence phase difference of each variable phase shifter .
前記印加電圧を制御する工程では、前記第1の可変位相子の複屈折位相差が常に前記第2の可変位相子の複屈折位相差と等しいように印加電圧を制御し、
前記演算工程では、前記第1及び第2の可変位相子の複屈折位相差を変化させて検出した光強度をフーリエ解析し、得られたフーリエ係数に基づいて、前記分析対象光の偏光特性要素を演算する、請求項4に記載の偏光測定方法。 Controlling the voltage applied to each of the first and second variable phase shifters to change the birefringence phase difference of the first and second variable phase shifters;
In the step of controlling the applied voltage, the applied voltage is controlled so that the birefringence phase difference of the first variable phase shifter is always equal to the birefringence phase difference of the second variable phase shifter.
In the calculation step , the light intensity detected by changing the birefringence phase difference of the first and second variable phase shifters is Fourier-analyzed, and based on the obtained Fourier coefficient, the polarization characteristic of the light to be analyzed The polarization measuring method according to claim 4 , wherein the element is calculated.
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