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(S軸、S軸、及びS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 (Patent Document 3 and Patent Document 4). However, the apparatus and method of Patent Document 3 can measure the optical characteristics of a sample, but cannot measure the polarization state of arbitrary analysis target light. Moreover, in the apparatus and method of Patent Document 4, since it is necessary to measure the polarization state for each wavelength, it is impossible to efficiently measure the chromatic dispersion of the polarization state.

特開2005−292028号公報JP 2005-292028 A 特開2009−085853号公報JP 2009-085853 A 特開2010−145332号公報JP 2010-145332 A 米国特許第6,744,509号明細書US Pat. No. 6,744,509

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.

本発明に係る偏光測定装置を含む光学測定装置の実施形態の概略構成図である。It is a schematic block diagram of embodiment of the optical measuring apparatus containing the polarization measuring apparatus which concerns on this invention. 主軸方位0°の液晶可変位相子の作用を示すポアンカレ球である。It is a Poincare sphere showing the action of a liquid crystal variable phase shifter with a principal axis orientation of 0 °. 主軸方位45°の液晶可変位相子の作用を示すポアンカレ球である。It is a Poincare sphere showing the action of a liquid crystal variable phase shifter with a main axis direction of 45 °. 2つの液晶可変位相子による偏光変調を示すポアンカレ球である。It is a Poincare sphere showing polarization modulation by two liquid crystal variable phase shifters. 主軸90°の検光子の作用を示すポアンカレ球である。It is a Poincare sphere showing the action of an analyzer with a main axis of 90 °. 波長486nm、590nm、656nmにおける液晶可変位相子の複屈折位相差と印加電圧の関係を示す。The relationship between the birefringence phase difference of a liquid crystal variable phase retarder in wavelength 486nm, 590nm, and 656nm and an applied voltage is shown. 光軸回りに回転する偏光子の透過光の偏光状態を示すポアンカレ球である。It is a Poincare sphere which shows the polarization state of the transmitted light of the polarizer rotating around the optical axis. 偏光子の光軸回りの回転角と、偏光子の透過光のストークスパラメータ測定値から求めた方位角との関係を示す。The relationship between the rotation angle around the optical axis of the polarizer and the azimuth obtained from the Stokes parameter measurement value of the transmitted light of the polarizer is shown. 複屈折位相差が変化する液晶可変位相子の透過光の偏光状態を示すポアンカレ球である。It is a Poincare sphere showing a polarization state of transmitted light of a liquid crystal variable phase shifter in which a birefringence phase difference is changed. 液晶可変位相子の複屈折位相差の設定値と、ストークスパラメータ測定値から求めた液晶可変位相子の複屈折位相差の測定値との関係を示す。The relationship between the setting value of the birefringence phase difference of the liquid crystal variable phase retarder and the measured value of the birefringence phase difference of the liquid crystal variable phase retarder obtained from the Stokes parameter measurement values is shown. 液晶可変位相子の複屈折位相差の設定値と、ストークスパラメータ測定値から求めた楕円率角との関係を示す。The relationship between the set value of the birefringence phase difference of a liquid crystal variable phase retarder and the ellipticity angle calculated | required from the Stokes parameter measured value is shown. 波長486nm、590nm、656nmで測定した1/4波長板の複屈折位相差を示す。The birefringence phase difference of the quarter wavelength plate measured at wavelength 486nm, 590nm, 656nm is shown.

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 polarization measuring device 10 according to the present invention.

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 light source 12 that irradiates the sample S with light so that light that has passed through the sample S as analysis target light enters the polarization measurement device 10. As the light source 12, for example, a white light source such as a halogen lamp can be used.

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 optical fiber 14 disposed between the light source 12 and the sample S along the optical path L, a collimating lens 16, and an interference filter 18. The optical fiber 14 uses light from the light source 12 as a point light source. For example, an optical fiber having a diameter of 200 μm can be used. The collimating lens 16 converts the light made into a point light source by the optical fiber 14 into parallel light. The interference filter 18 converts the light that has been collimated by the collimating lens into monochromatic light.

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 polarization measuring device 10 includes a polarization modulator 20 that polarizes and modulates analysis target light (light that has passed through the sample S in this embodiment), an analyzer 30 that transmits a predetermined polarization component of the polarization-modulated light, and A detection unit 40 that detects the light intensity of the light transmitted through the analyzer 30 and a calculation unit 60 that calculates a polarization characteristic element of the light to be analyzed based on the light intensity detected by the detection unit 40 are provided.

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 polarization modulator 20 includes two variable phase shifters 21 and 22 that can change the birefringence phase difference. The variable phase shifters 21 and 22 are, for example, liquid crystal variable phase shifters including nematic liquid crystal cells. As the nematic liquid crystal cell, for example, a liquid crystal having a refractive index anisotropy Δn of 0.2 and a cell gap of 5.5 μm can be used.

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δに応じて任意の偏光のストークスパラメータS及びS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S軸回りに回転させる。 The first liquid crystal variable phase shifter 21 arranged on the near side of the traveling direction of the light to be analyzed has a main axis (fast axis or slow axis) in an arbitrary direction. When the principal axis direction of the first liquid crystal variable phase retarder 21 is set to 0 °, the first liquid crystal variable phase retarder 21 changes the Stokes parameters S 2 and S 3 of arbitrary polarization according to the birefringence phase difference δ 1. Let That is, as shown in FIG. 2, the first liquid crystal variable phase shifter 21 rotates a point P indicating an arbitrary polarization state in the Poincare sphere about the S 1 axis.

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δに応じて任意の偏光のストークスパラメータS及びS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S軸回りに回転させる。 The second liquid crystal variable phase shifter 22 arranged on the back side in the traveling direction of the light to be analyzed has a main axis (phase advance) in a direction inclined by an odd multiple of 45 ° with respect to the main axis direction of the first liquid crystal variable phase shifter 21. Axis or slow axis). Since the principal axis orientation of the first liquid crystal variable phase retarder 21 is 0 °, the principal axis orientation of the second liquid crystal variable phase retarder 22 is an odd multiple of 45 °, and the second liquid crystal variable phase retarder 22 has its birefringence. Stokes parameters S 1 and S 3 of arbitrary polarization are changed according to the phase difference δ 2 . That is, the second liquid crystal variable retarder 22, as shown in FIG. 3, rotating the point P indicating the arbitrary polarization state in the Poincare sphere S 2 axis.

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S及びSを第1の液晶可変位相子21の複屈折位相差δに応じて変化させ、次いでストークスパラメータS及びSを第2の液晶可変位相子22の複屈折位相差δ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PをS軸回りの回転により矢印aで示すように点Pに移動させ、更に点PをS軸回りの回転により矢印bで示すように点Pに移動させる。 Since the polarization modulator 20 includes the first liquid crystal variable phase retarder 21 whose principal axis direction is 0 ° and the second liquid crystal variable phase retarder 22 whose principal axis direction is an odd multiple of 45 °, The Stokes parameters S 2 and S 3 are changed according to the birefringence phase difference δ 1 of the first liquid crystal variable phase retarder 21, and then the Stokes parameters S 1 and S 3 are changed to the birefringence position of the second liquid crystal variable phase retarder 22. is changed in accordance with the phase difference [delta] 2. That is, as shown in FIG. 4, the polarization modulator 20 moves the point P 0 indicating the polarization state of the light to be analyzed in the Poincare sphere to the point P 1 as indicated by the arrow a by rotation about the S 1 axis. Further, the point P 1 is moved to the point P 2 as indicated by the arrow b by rotation around the S 2 axis.

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(S軸及びS軸)回りの回転のみを含み、S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 polarization modulator 20 is only rotated about two axes (S 1 axis and S 2 axis) in the Poincare sphere. hints, S 3 to become a simple movement without the rotation axis, it is possible to simplify the theoretical formula for determining the polarization state of analyzed light.

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 constant temperature block 23 that surrounds the liquid crystal variable phase shifters 21 and 22, and a temperature control unit 24 that controls the temperature of the liquid crystal variable phase shifters 21 and 22. The temperature control unit 24 includes a temperature sensor 25 that senses the temperature of the liquid crystal variable phase shifters 21 and 22, a Peltier element 26, and a Peltier controller 27 that controls the Peltier element 26 based on the temperature sensed by the temperature sensor 25. .

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S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PをS軸に投影した点Pに移動させる。 The analyzer 30 transmits the linearly polarized light component in the specific direction of the light that is polarization-modulated by the polarization modulator 20. The analyzer 30 is a linear polarizer having a principal axis (transmission axis) in a direction inclined by an even multiple of 45 ° with respect to the principal axis direction of the first liquid crystal variable phase retarder 21, and has a Stokes parameter S 1 of arbitrary polarization. The corresponding vertical linearly polarized light component is transmitted. That is, as shown in FIG. 5, the analyzer 30 moves a point P 2 indicating an arbitrary polarization state in the Poincare sphere to a point P 3 projected on the S 1 axis.

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 analyzer 30. The detection means 40 includes a photo sensor as a light receiving sensor.

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 polarization measuring device 10 includes a calculation unit 60, a control signal generation unit 70, and a storage unit 80 as the control device 50.

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 calculation unit 60 calculates a polarization characteristic element that indicates the polarization state of the light to be analyzed, for example, a Stokes parameter. The polarization characteristic element calculated by the calculation unit 60 may include a Stokes parameter, an ellipticity angle, and an azimuth angle. When the polarization measuring device 10 is configured as a part of the optical measuring device, the calculation unit 60 calculates the optical rotation, birefringence, Mueller matrix, and the like of the sample S based on the Stokes parameter of the analysis target light.

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 control signal generator 70 applies a voltage to each of the first and second liquid crystal variable phase shifters 21 and 22 in order to change the birefringence phase difference between the first and second liquid crystal variable phase shifters 21 and 22. Generate a signal to control.

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 storage unit 80 temporarily stores the light intensity detected by the detection unit 40, the polarization characteristic element of the analysis target light calculated by the calculation unit 60, and the like.

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 polarization measuring device 10 according to the embodiment of the present invention has been described above, but the polarization measuring device according to the present invention is not limited to this. The configuration of each part of the polarization measuring device 10 can be replaced with any configuration having the same function.

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 interference filter 18 may be disposed between the analyzer 30 and the detection means 40. Alternatively, instead of using the interference filter 18, the detection means 40 may be a spectral light receiver having a diffraction grating as a spectral means and a light detection array as a light receiving means. As a result, the light incident on the spectroscopic light receiver can be dispersed for each wavelength by the diffraction grating, and the light intensity for each wavelength can be detected simultaneously by the respective light receiving elements constituting the light detection array. Therefore, the chromatic dispersion in the polarization state can be measured more efficiently.

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 variable phase shifter 21 is set to 0 °, and the second liquid crystal variable phase is set. Description will be made assuming that the principal axis direction of the probe 22 is 45 ° and the principal axis direction of the analyzer 30 is 90 °.

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S(λ)、S(λ)、S(λ)、S(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、

Figure 0005747317
と表される。 When the Stokes parameters at each wavelength λ of the analysis target light are S 0 (λ), S 1 (λ), S 2 (λ), and S 3 (λ), the Stokes vector S IN at each wavelength of the analysis target light is
Figure 0005747317
It is expressed.

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LCは、

Figure 0005747317
と表される。ここで、δ(λ)は波長λにおける第1の液晶可変位相子21の複屈折位相差である。このミュラー行列LCによって表される第1の液晶可変位相子21による偏光変調は、図4のポアンカレ球において矢印aで表される。したがって、第1の液晶可変位相子21を通過した光の偏光状態は、ストークスベクトルで
Figure 0005747317
と表され、図4のポアンカレ球において点Pで示される。 The Mueller matrix LC 1 of the first liquid crystal variable phase shifter 21 whose principal axis orientation is 0 ° is
Figure 0005747317
It is expressed. Here, δ 1 (λ) is a birefringence phase difference of the first liquid crystal variable phase retarder 21 at the wavelength λ. Polarization modulation of the first liquid crystal variable retarder 21 represented by this Mueller matrix LC 1 is represented by the arrow a in the Poincare sphere of FIG. Therefore, the polarization state of the light that has passed through the first liquid crystal variable phase retarder 21 is a Stokes vector.
Figure 0005747317
It is expressed as, indicated by a point P 1 in the Poincare sphere of FIG.

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LCは、

Figure 0005747317
と表される。ここで、δ(λ)は波長λにおける第2の液晶可変位相子22の複屈折位相差である。このミュラー行列LCによって表される第2の液晶可変位相子22による偏光変調は、図4のポアンカレ球において矢印bで表される。したがって、第2の液晶可変位相子22を通過した光の偏光状態は、ストークスベクトルで
Figure 0005747317
と表され、図4のポアンカレ球において点Pで示される。 The Mueller matrix LC 2 of the second liquid crystal variable phase shifter 22 whose principal axis orientation is 45 ° is
Figure 0005747317
It is expressed. Here, δ 2 (λ) is the birefringence phase difference of the second liquid crystal variable phase retarder 22 at the wavelength λ. Polarization modulation by the second liquid crystal variable retarder 22 represented by this Mueller matrix LC 2 is represented by the arrow b in the Poincare sphere of FIG. Therefore, the polarization state of the light that has passed through the second liquid crystal variable phase retarder 22 is a Stokes vector.
Figure 0005747317
It is expressed as, indicated by a point P 2 in the Poincare sphere of FIG.

主軸方位が90°である検光子30のミュラー行列Aは、

Figure 0005747317
と表される。このミュラー行列Aによって表される検光子30による垂直直線偏光成分の取り出しは、図5のポアンカレ球において矢印cで表される。したがって、検光子30を通過した光のストークスベクトルSOUTは、
Figure 0005747317
と表される。この偏光状態は、図5のポアンカレ球においてPで示される。 The Mueller matrix A of the analyzer 30 whose principal axis orientation is 90 ° is
Figure 0005747317
It is expressed. The extraction of the vertical linearly polarized light component by the analyzer 30 represented by the Mueller matrix A is represented by an arrow c in the Poincare sphere in FIG. Therefore, the Stokes vector S OUT of the light passing through the analyzer 30 is
Figure 0005747317
It is expressed. This polarization state is represented by P 3 in the Poincare sphere of FIG.

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(δ(λ),δ(λ))は、ストークスベクトルSOUTのS成分であるので、以下の式で表される。

Figure 0005747317
From the equation (7), the light intensity I (δ 1 (λ), δ 2 (λ)) of each wavelength detected by the detection means 40 is the S 0 component of the Stokes vector S OUT. expressed.
Figure 0005747317

第1及び第2の液晶可変位相子21、22の複屈折位相差δ(λ)、δ(λ)をδ(λ)=δ(λ)=δ(λ)とすると、光強度I(δ(λ))は以下の式で表される。

Figure 0005747317
When the birefringence phase differences δ 1 (λ) and δ 2 (λ) of the first and second liquid crystal variable phase shifters 21 and 22 are δ 1 (λ) = δ 2 (λ) = δ (λ), light The intensity I (δ (λ)) is expressed by the following equation.
Figure 0005747317

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S(λ)、S(λ)、S(λ)、S(λ)により以下の式で表される。

Figure 0005747317
The coefficients of the Fourier series when the equation (9) is Fourier-analyzed with respect to δ are expressed by the following equations according to the Stokes parameters S 0 (λ), S 1 (λ), S 2 (λ), and S 3 (λ). It is represented by
Figure 0005747317

したがって、分析対象光のストークスパラメータS(λ)、S(λ)、S(λ)、S(λ)は、それぞれ以下の式で表される。

Figure 0005747317
Therefore, the Stokes parameters S 0 (λ), S 1 (λ), S 2 (λ), and S 3 (λ) of the analysis target light are respectively expressed by the following equations.
Figure 0005747317

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S(λ)、S(λ)、S(λ)、S(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 variable phase retarder 21 having a principal axis orientation of 0 ° and a second liquid crystal variable phase retarder 22 having a principal axis orientation of 45 ° The case where the analyzer 30 having the main axis direction of 90 ° is used has been described. However, the principal axis direction of the first liquid crystal variable phase retarder 21 can be set to an arbitrary direction perpendicular to the traveling direction of the light to be analyzed. At this time, the main axis direction of the second liquid crystal variable phase retarder 22 is inclined by an odd multiple of 45 ° with respect to the main axis direction of the first liquid crystal variable phase retarder 21, and the main axis direction of the analyzer 30 is 45 °. The Stokes parameter of the light to be analyzed can be calculated in the same manner by setting the direction to be inclined even times.

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 variable phaser 22 and the main axis direction of the analyzer 30 with respect to the main axis direction of the first variable phaser 21. Examples of other three combinations having different light intensity formulas are shown below as first to third modifications.

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(δ(λ),δ(λ))は、以下の式で表される。

Figure 0005747317
As a first modification, when the main axis direction of the first variable phase retarder 21 is 0 °, the main axis direction of the second liquid crystal variable phase retarder 22 is 45 °, and the main axis direction of the analyzer 30 is 0 °, The Stokes vector S OUT of the light passing through the analyzer 30 and the light intensity I (δ 1 (λ), δ 2 (λ)) of each wavelength detected by the detection means 40 are expressed by the following equations.
Figure 0005747317

第1及び第2の液晶可変位相子21、22の複屈折位相差δ(λ)、δ(λ)をδ(λ)=δ(λ)=δ(λ)とすると、光強度I(δ(λ))は以下の式で表される。

Figure 0005747317
When the birefringence phase differences δ 1 (λ) and δ 2 (λ) of the first and second liquid crystal variable phase shifters 21 and 22 are δ 1 (λ) = δ 2 (λ) = δ (λ), light The intensity I (δ (λ)) is expressed by the following equation.
Figure 0005747317

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(δ(λ),δ(λ))は、以下の式で表される。

Figure 0005747317
As a second modification, when the main axis direction of the first variable phase shifter 21 is 0 °, the main axis direction of the second liquid crystal variable phase shifter 22 is −45 °, and the main axis direction of the analyzer 30 is 90 °. The Stokes vector S OUT of the light that has passed through the analyzer 30 and the light intensity I (δ 1 (λ), δ 2 (λ)) of each wavelength detected by the detection means 40 are expressed by the following equations.
Figure 0005747317

第1及び第2の液晶可変位相子21、22の複屈折位相差δ(λ)、δ(λ)をδ(λ)=δ(λ)=δ(λ)とすると、光強度I(δ(λ))は以下の式で表される。

Figure 0005747317
When the birefringence phase differences δ 1 (λ) and δ 2 (λ) of the first and second liquid crystal variable phase shifters 21 and 22 are δ 1 (λ) = δ 2 (λ) = δ (λ), light The intensity I (δ (λ)) is expressed by the following equation.
Figure 0005747317

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(δ(λ),δ(λ))は、以下の式で表される。

Figure 0005747317
As a third modification, when the main axis direction of the first variable phase shifter 21 is 0 °, the main axis direction of the second liquid crystal variable phase retarder 22 is −45 °, and the main axis direction of the analyzer 30 is 0 °. The Stokes vector S OUT of the light that has passed through the analyzer 30 and the light intensity I (δ 1 (λ), δ 2 (λ)) of each wavelength detected by the detection means 40 are expressed by the following equations.
Figure 0005747317

第1及び第2の液晶可変位相子21、22の複屈折位相差δ(λ)=δ(λ)=δ(λ)とすると、光強度I(δ(λ))は以下の式で表される。

Figure 0005747317
Assuming that the birefringence phase difference δ 1 (λ) = δ 2 (λ) = δ (λ) of the first and second liquid crystal variable phase shifters 21 and 22, the light intensity I (δ (λ)) is given by the following equation: It is represented by
Figure 0005747317

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S(λ)、S(λ)、S(λ)、S(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 variable phase retarder 21 is set to an arbitrary direction other than 0 °, the principal axis orientation of the second liquid crystal variable phase retarder 22 with respect to the principal axis orientation of the first liquid crystal variable phase retarder 21 and According to the principal axis orientation of the analyzer 30, the light intensity I (δ (λ)) is analyzed by Fourier analysis based on any one of the formulas (9), (13), (15), and (17). The Stokes parameter of the target light can be calculated similarly.

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S(λ)、S(λ)、S(λ)、S(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S(λ)、S(λ)、S(λ)、S(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 analyzer 30 does not necessarily have to be a direction inclined by an even multiple of 45 ° with respect to the main axis direction of the first liquid crystal variable phase retarder 21. However, for example, when the principal axis orientation of the first liquid crystal variable phase retarder 21 is 0 ° and the principal axis orientation of the second liquid crystal variable phase retarder 22 is −45 °, the principal axis orientation of the analyzer 30 is 45 °. The expression of the intensity of the linearly polarized light that has passed through the analyzer 30 includes all of the Stokes parameters S 0 (λ), S 1 (λ), S 2 (λ), and S 3 (λ) of the light to be analyzed. Thus, the Stokes parameter of the light to be analyzed cannot be obtained. Therefore, the principal axis direction of the analyzer 30 is expressed by the Stokes parameters S 0 (λ), S 1 (λ), S 2 (λ), S 3 of the light to be analyzed in the formula of the light intensity of the linearly polarized light that has passed through the analyzer 30. It needs to be selected so that all of (λ) are included.

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、

Figure 0005747317
と表される。式(18a)〜(18d)から、それぞれのストークスパラメータは、以下のように表される。
Figure 0005747317
In order to reduce the number of samplings, the light intensity I (0), I (45) when the phase modulation amount δ of the liquid crystal variable phase shifter is 0 °, 45 °, 90 °, 135 ° instead of the method by Fourier analysis. ), I (90), I (135) can also be used to obtain Stokes parameters. Each light intensity is
Figure 0005747317
It is expressed. From equations (18a) to (18d), the respective Stokes parameters are expressed as follows.
Figure 0005747317

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 variable phase shifters 21 and 22 in order to set the phase modulation amount δ to 0 °, 45 °, 90 °, and 135 ° differs depending on the wavelength. It is necessary to detect the light intensity at the phase modulation amount δ for each wavelength.

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S(λ)、S(λ)、S(λ)、S(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S及びSを用いて、以下の式(20)から方位角ψ(λ)を求めた。

Figure 0005747317
Measurement example 1
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 .
Figure 0005747317

図7は、測定したストークスパラメータS(λ)、S(λ)、S(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S(λ)、S(λ)、S(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S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S(λ)及びS(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S(λ)及びS(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S(λ)、S(λ)、S(λ)、S(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S(λ)、S(λ)、S(λ)、S(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S(λ)及びS(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S(λ)とS(λ)を用いて、式(21c)から楕円率角χ(λ)を求めた。

Figure 0005747317
The Stokes parameters S 0 (λ), S 1 (λ), S 2 (λ), and S 3 (λ) of the light to be analyzed that has passed through the liquid crystal variable phase shifter are expressed by the following equation (21a). Using the measured Stokes parameters S 1 (λ) and S 3 (λ), the birefringence phase difference δ (λ) was obtained from the equation (21b). Further, the ellipticity angle χ (λ) was obtained from the equation (21c) using the measured Stokes parameters S 0 (λ) and S 3 (λ).
Figure 0005747317

図9は、測定したストークスパラメータS(λ)、S(λ)、S(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S(λ)、S(λ)、S(λ)がS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S(λ)及びS(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S(λ)とS(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S(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n(λ)及び異常光屈折率n(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。

Figure 0005747317
FIG. 12 shows the birefringence phase difference of the sample calculated from the Stokes parameter measurement values at wavelengths of 486 nm, 590 nm, and 656 nm. The solid line represents the following birefringence phase difference equation, thickness d = 1.65 μm, and values of ordinary refractive index n o (λ) and extraordinary refractive index n e (λ) of quartz at each wavelength. It is the wavelength dispersion curve of the birefringence phase difference of the quarter wavelength plate calculated | required by the used simulation.
Figure 0005747317

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 SYMBOLS 10 Polarization measuring apparatus 12 Light source 14 Optical fiber 16 Collimating lens 18 Interference filter 20 Polarization modulator 21 First liquid crystal variable phase shifter 22 Second liquid crystal variable phase shifter 23 Constant temperature block 24 Temperature control unit 25 Temperature sensor 26 Peltier element 27 Peltier controller 30 Analyzer 40 Detection means 50 Control device 60 Calculation unit 70 Control signal generation unit 80 Storage unit S Sample L Optical path

Claims (6)

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、
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 .
前記第1及び第2の可変位相子の複屈折位相差を変化させるために前記第1及び第2の可変位相子の各々への印加電圧を制御する制御部を更に含み、
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
前記分光手段は回折格子又は干渉フィルタである、請求項1又は2に記載の偏光測定装置。   The polarization measuring apparatus according to claim 1, wherein the spectroscopic means is a diffraction grating or an interference filter. 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、
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 .
前記第1及び第2の可変位相子の複屈折位相差を変化させるために前記第1及び第2の可変位相子の各々への印加電圧を制御する工程を更に含み、
前記印加電圧を制御する工程は、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.
前記分光手段は回折格子又は干渉フィルタである、請求項4又は5に記載の偏光測定方法。 The polarization measuring method according to claim 4 or 5 , wherein the spectroscopic means is a diffraction grating or an interference filter.
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