JP6083596B2

JP6083596B2 - 光学特性測定システム

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Publication number: JP6083596B2
Application number: JP2012255092A
Authority: JP
Inventors: 大輔茨田
Original assignee: Utsunomiya University
Current assignee: Utsunomiya University
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2032-11-21
Also published as: JP2014102869A

Description

本発明は、光学特性測定システム、光学特性計測方法及び光学系に関する。

従来、光学的に情報を記録して再生する方法の１つとしてホログラムを利用したホログラフィック記録が提案されている（例えば特許文献１参照）。ホログラフィック記録は、光の干渉を利用して情報をホログラムとして情報記録媒体に記録する技術である。このため、ホログラフィック記録によれば、情報を情報記録媒体中に三次元(3D: three dimensional)屈折率分布として三次元的に記録することができる。従って、ホログラフィック記録では、情報記録媒体の厚みを有効活用することによって、より大容量の情報を記録することができる。

より具体的には、ホログラフィック記録は、情報を持った信号光と参照光とを互いに干渉させて情報記録媒体に照射することによって情報をホログラムとして情報記録媒体に記録する一方、参照光又は信号光を情報記録媒体に照射することによって情報を持った再生光を再生させる光情報記録再生方式である。

更に、ホログラフィック記録の応用として偏光ホログラフィック記録が提案されている（例えば非特許文献１、非特許文献２及び非特許文献３参照）。偏光ホログラフィック記録は、偏光特性を有するホログラムを形成させる記録である。

より具体的には、偏光ホログラフィック記録では、任意の偏光状態をもつ信号光及び参照光が偏光感受性を有する情報記録媒体に照射される。この場合、偏光感受性を有する情報記録媒体内では、偏光に応じた光学異方性が誘起され、偏光ホログラムとして情報が記録される。また、記録された情報の再生は、通常のホログラフィック記録と同様に参照光又は信号光を情報記録媒体に照射することによって行われる。つまり、偏光ホログラフィック記録は、偏光方位（電磁場の振動方位）という自由度を有する光のベクトル波としての性質を利用し、情報を情報記録媒体に3D複屈折分布として記録する光情報記録再生方式である。

偏光感受性のない情報記録媒体に情報を記録するホログラフィック記録では、信号光と参照光の偏光状態が互いに同一であることが必要である。これに対し、偏光ホログラフィック記録では、偏光状態が同一でない信号光と参照光を用いて情報を記録することが可能である。

国際公開第０４／１０２５４２号パンフレット

Daisuke Barada, et al., "Volume polarization Holography for optical data storage", 7 February 2011, Proceedings of SPIE Vol. 7957, 79570Q 「最新フォトニクスポリマー材料と応用技術」、１９５−２０１、"第８章大容量光メモリ"、発行者辻賢司、発行所株式会社シーエムシー出版、２０１１年５月３１日第１刷発行 Daisuke Barada, et al., "Dual-channel polarization holography: a technique for recording two complex amplitude components of a vector wave", 29 October 2012, Optics Letters Vol. 37, 4528-4530

しかしながら、偏光ホログラフィック記録方式で情報が記録される記録媒体に、実際にどのような複屈折分布が形成されているか評価することができないという問題がある。実際に理想的な複屈折分布を記録媒体に形成することができれば、再生される情報の質が良好となる。一方、理想的な複屈折分布と実際に形成される複屈折分布とが異なる場合には、再生される情報が劣化することになる。

従って、情報記録媒体となり得る材料に形成される複屈折分布又は複屈折分布の取得に繋がる光学特性を評価又は測定する技術の開発が望まれる。更に、情報記録媒体として用いられるか否かを問わず、物体に形成された複屈折分布又は複屈折分布の評価に有用な光学特性を測定する技術が確立できれば、様々な目的による研究や分析に応用することができる。併せて、複屈折分布等の光学特性の測定に役立つ光学系の開発も望まれる。

そこで、本発明は、物体に形成される複屈折分布等の光学特性の測定又は評価を支援することが可能な光学特性測定システム、光学特性計測方法及び光学系を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る光学特性測定システムは、光学系及び光学特性算出部を備える。光学系は、互いに直交する偏光方位を有する第１の複数の偏光成分をそれぞれ含み、かつ位相及び周波数の少なくとも一方が互いに異なる複数の変調量で変調された参照光としての複数の参照ベクトル波を、前記偏光方位を有する第２の複数の偏光成分を含む被検物体からの透過光又は反射光としての被検ベクトル波と、対応する偏光成分ごとにそれぞれ合成することによって前記複数の変調量及び前記偏光方位に対応する複数の偏光の強度を取得する。光学特性算出部は、前記複数の偏光の強度に基づいて、少なくとも観測位置における前記被検ベクトル波の前記第２の複数の偏光成分の各振幅を求める。
また、本発明の実施形態に係る光学特性計測方法は、互いに直交する偏光方位を有する複数の偏光成分をそれぞれ含み、かつ位相及び周波数の少なくとも一方が互いに異なる複数の変調量で変調された参照光としての複数の参照ベクトル波を、前記偏光方位を有する複数の偏光成分を含む被検物体からの透過光又は反射光としての被検ベクトル波と、対応する偏光成分ごとにそれぞれ合成することによって前記複数の変調量及び前記偏光方位に対応する複数の偏光の強度を取得するステップと、前記複数の偏光の強度に基づいて、少なくとも観測位置における前記被検ベクトル波の前記複数の偏光成分の各振幅を求めるステップとを有する。
また、本発明の実施形態に係る光学系は、ベクトル波を構成する複数の偏光成分の各位相及び各周波数の少なくとも一方を、時間的又は空間的に互いに異なる複数の変調量で偏光成分ごとに変調するように構成される。

本発明の実施形態に係る光学特性測定システム、光学特性計測方法及び光学系によれば、物体に形成される複屈折分布等の光学特性の測定又は評価を支援することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光学特性測定システムの構成図。図１に示す被検ベクトル波変調系の構成例を示す図。図１に示す被検物体にベクトル波をスポット照射する場合の例を示す図。図１に示す光学特性測定システムにより被検物体を透過した被検ベクトル波の複素振幅及び被検物体の光学的な評価情報を取得するための流れを示すフローチャート。光学特性測定システムの光学系を一般化して表したブロック図。被検物体への透過後のベクトル波を用いて参照ベクトル波を生成する場合における光学系の構成を一般化して表したブロック図。参照ベクトル波変調系を複数の可変リターダを用いて構成した例を示す図。複数の周波数変調子を用いて参照ベクトル波変調系を構成した例を示す図。合成ベクトル波の偏光成分を分離された状態でそれぞれ検出するように構成した合波検出系の例を示す図。本発明の第２の実施形態に係る光学特性測定システムにおいて用いられるアレイ型波長板の正面図。図１０に示すアレイ型波長板の配置方法を示す図。本発明の第３の実施形態に係る光学特性測定システムにおいて用いられる空間選択的ミラーの作用を示す側面図。図１２に示す空間選択的ミラーの正面図。本発明の第４の実施形態に係る光学特性測定システムに用いられる光学系の構成図。

本発明の実施形態に係る光学特性測定システム、光学特性計測方法及び光学系について添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
（構成および機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係る光学特性測定システムの構成図である。

光学特性測定システム１は、被検物体Ｏからベクトル波として生じる信号光の複素振幅分布を求めることによって、被検物体Ｏの光学的な評価情報を取得するシステムである。そのために、光学特性測定システム１は、光学系２、光学特性算出部３及び表示装置４を有する。

光学系２は、位相が互いに異なる複数の変調量で変調された参照光としての複数の参照ベクトル波を、被検物体Ｏからの透過光又は反射光としての被検ベクトル波と、対応する偏光成分ごとにそれぞれ合成することによって複数の変調量及び異なる偏光方位に対応する複数の偏光の強度を取得するように構成されている。

複数の参照ベクトル波は、互いに直交する偏光方位を有する第１の複数の偏光成分をそれぞれ含むベクトル波である。また、被検ベクトル波は、互いに直交する偏光方位を有する第２の複数の偏光成分を含むベクトル波である。

また、光学系２は、ベクトル波を互いに異なる複数のタイミングにおいて複数の変調量で時間的に変調することによって複数の参照ベクトル波を順次生成するように構成されている。加えて、光学系２は、第１の複数の偏光成分間において互いに異なる変調量で第１の複数の偏光成分を変調することによって複数の参照ベクトル波を生成するように構成されている。

更に、光学系２は、複数の変調量及び各偏光方位に対応する複数の偏光を、偏光方位間で合成された状態で検出するよう構成されている。つまり、光学系２では、被検ベクトル波と参照ベクトル波を合成した合成ベクトル波の強度が取得される。

図１は、上述したような機能が得られるように光学素子を配置した光学系２の一例を示している。具体的には、光学系２は、ベクトル波生成系５、被検ベクトル波変調系６、参照ベクトル波変調系７、合波検出系８及び試料ステージ９を有している。

尚、図１に示す例では、被検物体Ｏに互いに直交する２成分を有するベクトル波としての偏光を入射させ、被検物体Ｏを透過した透過光としての信号光が被検ベクトル波とされる。被検物体Ｏを反射した反射光としての信号光を被検ベクトル波とする場合には、被検物体Ｏからの反射光を参照ベクトル波とともに入射できる位置に合波検出系８を配置すればよい。

ベクトル波生成系５は、被検ベクトル波を得るために情報を記録して被検物体Ｏに入射させるベクトル波及び位相変調前における参照ベクトル波を生成するためのシステムである。ベクトル波生成系５は、例えば、レーザ光源５Ａ、第１の1/2波長板(HWP: half-wave plate)５Ｂ、ビームエクスパンダ(BE: beam expander)５Ｃ、第１の偏光ビームスプリッタ(PBS: polarizing beam splitter)５Ｄ、第２のHWP５Ｅ及びミラー５Ｆを図示されたように配置することによって構成することができる。BE５Ｃは、対物レンズ５Ｇ、空間フィルタ(SF: spatial filter)５Ｈ及びコリメータレンズ５Ｉを光路Ｌに沿って直列に配置することによって構成することができる。

被検ベクトル波変調系６は、被検物体Ｏに入射させるベクトル波の直交する２成分にそれぞれ２次元(2D: two dimensional)情報を空間変調によって記録するシステムである。被検ベクトル波変調系６は、空間光変調器(SLM: spatial light modulator)等の任意の光学素子を用い構成することができる。

図２は、図１に示す被検ベクトル波変調系６の構成例を示す図である。

図２に示すように、被検ベクトル波変調系６は、光路Ｌに沿って第３のHWP６Ａ、第１のSLM(SLM1)６Ｂ、第４のHWP６Ｃ及び第２のSLM(SLM2)６Ｄを直列配置して構成することができる。そして、第１のSLM(SLM1)６Ｂによりベクトル波の一方の成分に2D情報を記録し、第２のSLM(SLM2)６Ｄによりベクトル波の他方の成分に2D情報を記録することができる。

被検ベクトル波変調系６において情報が記録されたベクトル波は、試料ステージ９に設置された被検物体Ｏに向けて照射される。尚、図１は、ベクトル波の平行ビームが被検物体Ｏに向けて照射される例を示しているが、ベクトル波を絞って被検物体Ｏに向けてスポット照射するようにしてもよい。

図３は、図１に示す被検物体Ｏにベクトル波をスポット照射する場合の例を示す図である。

図３に示すように２種類のサイズを有する４つのリレーレンズ９Ａ、９Ｂ及び２つの対物レンズ１０を、被検物体Ｏを挟んで対称となるように対向配置することによって被検物体Ｏにベクトル波をスポット照射することができる。一方、被検物体Ｏを透過した被検ベクトル波を平行ビームにすることができる。このようなスポット照射によって被検物体Ｏを、情報記録ディスク等の円盤状の回転体とすることができる。

試料ステージ９に設置される被検物体Ｏとしては、偏光ホログラフィック記録方式による情報記録媒体の候補となる偏光感受性を有する物質で構成される物体が典型的である。但し、情報記録媒体の候補に限らず、動く生体細胞や液晶パネル等の複屈折分布が時間的に変化する任意の物体を被検物体Ｏとして試料ステージ９に設置することができる。

参照ベクトル波変調系７は、ベクトル波生成系５において生成されたベクトル波を構成する複数の偏光成分の各位相を、時間的に互いに異なる複数の変調量で偏光成分ごとに変調する光学系である。換言すれば、参照ベクトル波変調系７は、ベクトル波生成系５において生成された参照ベクトル波の位相変調を、時間的に位相変調量を変えながら行うことによって、位相変調量が異なる複数の参照ベクトル波を順次生成する光学系である。

参照ベクトル波変調系７は、例えば図１に示すように、第２のPBS７Ａ、第１の1/4波長板(QWP: quarter-wave plate)７Ｂ、第１の圧電変換器(PZT: piezoelectric transducer) (PZT1)７Ｃ、第２のQWP７Ｄ及び第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅを配置することによって構成することができる。

圧電変換器としては、例えばジルコン酸チタン酸鉛(PZT: lead zirconate titanate)からなるピエゾ素子を用いて反射面が入力信号に応じて微動するように構成されたピエゾミラーを用いることができる。この場合、ピエゾミラーに制御信号として所定の時間変化を伴う電圧を印加することによって、ピエゾミラーで反射する偏光の光路長を時間的に変化させることができる。尚、ピエゾミラーの代わりに、電動ステージに設置したミラーを用いることもできる。

従って、第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃと第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅに互いに異なる電圧を印加することによって、参照ベクトル波を偏光成分ごとに互いに異なる変調量で位相変調することができる。また、第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃに印加する電圧を時間的に変化させることによって、第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃで反射する参照ベクトル波の一方の偏光成分を、時間的に異なる変調量で位相変調することができる。同様に、第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅで反射する参照ベクトル波の他方の偏光成分を、時間的に異なる変調量で位相変調することができる。つまり、時間的に変調量が異なり、かつ偏光成分間でも変調量が異なる複数の参照ベクトル波を順次生成することができる。

合波検出系８は、被検物体Ｏを透過して生じた被検ベクトル波と参照ベクトル波変調系７において位相変調された参照ベクトル波とを合成して検出するシステムである。すなわち、被検ベクトル波と参照ベクトル波とを合成して得られる合成ベクトル波の強度が合波検出系８において測定される。合波検出系８は、例えば図１に示すように、ビームスプリッタ(BS: beam splitter)８Ａ及び撮像素子８Ｂで構成することができる。図示された例では、撮像素子８Ｂとして相補型金属酸化膜半導体(CMOS: complementary metal oxide semiconductor)センサが用いられている。合波検出系８において取得された合成ベクトル波の強度は、光学特性算出部３に出力される。

光学特性算出部３はプログラムを読み込ませたコンピュータや回路によって構成することができる。光学特性算出部３は、光学系２において取得された、複数の変調量及び異なる偏光方位に対応する複数の偏光の強度に基づいて、少なくとも観測位置における被検ベクトル波の複数の偏光成分の各振幅、すなわち複素振幅を求める機能を有する。光学特性算出部３では、被検ベクトル波の観測位置における複素振幅分布の他、複素振幅分布に基づく様々な被検物体Ｏの光学的な物性に応じた情報を求めることができる。

例えば、光学特性算出部３では、観測位置における被検ベクトル波の複素振幅に基づく演算によって、複数の観測位置における被検ベクトル波の空間的な複素振幅を求めることができる。更に、被検ベクトル波の空間的な複素振幅と、被検物体Ｏに入射させたベクトル波の複素振幅の変化量を、被検物体Ｏの評価情報として取得することができる。つまり、光学特性算出部３では、ディジタルホログラフィにより、観測位置における被検ベクトル波の複素振幅から様々な情報を計算によって求めることが可能である。

ここで、被検ベクトル波の複素振幅分布の計算方法の一例について説明する。被検ベクトル波の複素振幅分布は、異なる位相変調量で位相変調された複数の参照ベクトル波と被検ベクトル波の合成ベクトル波の複素振幅の測定値に基づいて解析的に計算することができる。

スカラー波は、変位がスカラー量で表される波であるのに対して、ベクトル波は、変位がベクトル量で表される波である。スカラー波及びベクトル波はいずれも、複数の方向に進行する平面波の重ね合わせとして表現することができる。但し、ベクトル波の場合、式(1-1)、式(1-2)及び式(1-3)に示すように、互いに直交するx軸、y軸及びz軸方向の平面波の各成分U_x(x, y; z), U_y(x, y; z), U_z(x, y; z)の重ね合わせとして表現することができる。

但し、式(1-1)、式(1-2)及び式(1-3)において、A_x(k_x, k_y), A_y(k_x, k_y), A_z(k_x, k_y)は、それぞれ平面波U_x, U_y, U_zの振幅を、φ_x(k_x, k_y), φ_y(k_x, k_y), φ_z(k_x, k_y)は、それぞれ平面波U_x, U_y, U_zの位相を、k_x, k_y, k_zは、それぞれ波動ベクトルのx, y, z成分を示す。尚、平面波U_x, U_y, U_zの振幅A_x, A_y, A_zは、式(2-1)を満たす。また、波動ベクトルのz成分は、式(2-2)を満たす。但し、式(2-2)においてλは波長を示す。

従って、x軸方向及びy軸方向を、観測面内を通る直交する２つのベクトル成分の方向とし、z軸方向を観測面に垂直な方向とした場合の被検ベクトル波の観測位置z₀における複素振幅ベクトルU_S(x, y, z₀)は、式(3)に示すようにx軸及びy軸方向に進行する平面波の観測位置z₀における強度U_x(x, y; z₀), U_y(x, y; z₀)を成分として表すことができる。

一方、異なる変調量で位相変調された各参照ベクトル波の観測位置z₀における複素振幅ベクトルU_R,n(x, y, z₀)は、式(4)に示すようにx軸方向及びy軸方向の各成分を用いて表すことができる。

但し、式(4)においてU_R,x(x, y; z₀), U_R,y(x, y; z₀)は既知の係数、Nは変調量の変更回数に相当する観測データ数、nは0からN-1までの整数、m_x, m_yはそれぞれ式(5-1)及び式(5-2)に示すナイキスト条件を満たし、かつ任意に決定された互いに異なる自然数である。

式(5)及び式(6)を満たすために必要な観測データ数Nは、N≧5となる。また、m_x, m_yは任意の自然数とすることができる。m_x, m_yを大きな値に設定する程、被検ベクトル波の複素振幅分布の計算精度の向上に繋がる。逆に、m_x, m_yを小さな値に設定する程、計算量の低減に繋がる。計算精度及びデータ処理量を考慮すると、N回の観測データの取得中において被検物体Ｏの位置と物性値が一定であると見なせ、かつ、十分に除振された環境下では、(m_x, m_y)=(1, 2)又は(m_x, m_y)=(2, 1)に設定することが現実的である。

そして、nの値を0からN-1まで変化させることにより、位相変調量を時間的に変化させることができる。また、m_x, m_yの値を異なる値とすることにより、参照ベクトル波の偏光成分を互いに異なる変調量で位相変調することができる。

但し、位相変調量は、式(4)が満たされるようにnの値の変化とともにステップ状に特定の値に決定される。そこで、光学特性算出部３は、式(4)で示す変調量で被検ベクトル波が順次位相変調されるように、撮像素子８Ｂ、第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃ及び第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅを制御する機能を備えている。

すなわち、光学特性算出部３は、撮像素子８Ｂによる撮像タイミングと同期して、第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃ及び第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅにそれぞれ式(4)に示す各位相変調量に対応する電圧をステップ状に変化させながら順次印加するように構成される。撮像素子８Ｂによる撮像及び位相変調量の変化は、間欠的に行ってもよいし、連続的に行ってもよい。

参照ベクトル波の位相変調量を連続的に変化させる場合には、第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃ及び第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅを撮影間隔に応じた所定の速度で移動させることになる。具体的には、撮像素子８Ｂにおける撮像間隔をΔt、第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃ及び第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅに入射する偏光成分の波長をλとすると、第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃ及び第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅの移動速度V1, V2は、それぞれ、V1=m_xλ/(2NΔt), V2=m_yλ/(2NΔt)とすればよいことになる。

式(3)及び式(4)のように被検ベクトル波及び参照ベクトル波を表すと、被検ベクトル波と、nの値に対応する変調量で変調された参照ベクトル波とを重ね合わせた合成ベクトル波の強度I_n(x, y)は、式(6)で表される。

そうすると、式(6)は、N個の式となるため、未知数を計算することが可能となる。つまり、参照ベクトル波の位相を偏光成分ごとにシフトさせて合成撮像することにより、被検ベクトル波の観測位置z₀における複素振幅U_S(x, y, z₀)を求めることが可能となる。被検ベクトル波の観測位置z₀における複素振幅U_S(x, y, z₀)の具体的な計算方法としては、様々な計算方法が考えられる。

一例として、離散的フーリエ変換(DFT: discrete Fourier transform)を伴う計算によれば、観測位置z₀における被検ベクトル波の各成分の強度U_x(x, y; z₀), U_y(x, y; z₀)は、それぞれ式(7-1)及び式(7-2)により算出することができる。

但し、式(7-1)及び式(7-2)において記号*は、複素共役を示す。

このため、式(7-1)及び式(7-2)に例示される計算式によって、被検ベクトル波の観測位置z₀における複素振幅U_S(x, y, z₀)を求めることができる。被検ベクトル波の観測位置z₀における複素振幅U_S(x, y, z₀)が得られると、計算機上の計算によって被検ベクトル波の任意の観測位置zにおける複素振幅U_S(x, y, z)を求めることが可能となる。

具体的には、観測位置z₀における被検ベクトル波の各成分の複素振幅U_x(x, y; z₀), U_y(x, y; z₀)を２次元空間的にフーリエ変換(FT: Fourier transform)することによって、平面波に展開することができる。FTの結果は、式(8-1)及び式(8-2)となる。

式(8-1)及び式(8-2)により、被検ベクトル波を平面波に展開したときの各平面波の振幅A_x, A_y及び位相φ_x, φ_yを計算することができる。この結果、任意の観測位置zにおける被検ベクトル波の各成分の強度U_x(x, y; z), U_y(x, y; z)を求めることができる。

このように、光学特性算出部３において求められた被検物体Ｏの光学特性を示す情報及び光学系２の撮像素子８Ｂにおいて撮像された画像データは表示装置４に表示させることができる。

（動作および作用）
次に光学特性測定システム１の動作および作用について説明する。

図４は、図１に示す光学特性測定システム１により被検物体Ｏを透過した被検ベクトル波の複素振幅及び被検物体Ｏの光学的な評価情報を取得するための流れを示すフローチャートである。

まずステップＳ１において、時間的に異なる変調量で順次位相変調された複数の参照ベクトル波と被検物体Ｏからの被検ベクトル波とを重ね合わせた合成ベクトル波の強度分布が光学系２において順次検出される。

具体的には、レーザ光源５Ａから波長405nmの半導体レーザ等のレーザ光が照射され、第１のHWP５Ｂにより45度直線偏光が生成される。生成された45度直線偏光は、BE５Ｃにより平行ビームに拡大される。平行ビームとなった45度直線偏光は、第１のPBS５Ｄに入射して互いに直交する２つの直線偏光に分離される。

第１のPBS５Ｄを直進した直線偏光は、電界成分の振動方向が入射面に平行なp(parallel)偏光となって第２のHWP５Ｅに入射する。そして、第２のHWP５Ｅにおいて偏光方位が45度となった直線偏光が位相変調前の参照ベクトル波としてベクトル波生成系５から出力される。

一方、第１のPBS５Ｄで反射した直線偏光は、電界成分の振動方向が入射面に垂直なs(senkrecht)偏光となってミラー５Ｆに反射する。そして、ミラー５Ｆに反射したs偏光は、情報の記録用のベクトル波としてベクトル波生成系５から出力される。

ベクトル波生成系５から出力されたs偏光は、被検ベクトル波変調系６に入射する。被検ベクトル波変調系６に入射したs偏光は、第３のHWP６Ａにおいて45度直線偏光となって反射型の第１のSLM(SLM1)６Ｂに入射する。

第１のSLM(SLM1)６Ｂでは、45度直線偏光のp偏光成分が第１の2D入力データに対応するパターンで空間的に位相変調される。これにより、入力パターンに従って45度直線偏光のp偏光成分の位相が画素ごとに変調される。すなわち、45度直線偏光のp偏光成分に第１の2D入力データが空間的な2D位相変調分布として記録される。

尚、2D入力データは、２次元的に異なる画素分布を有する2D画像データに限らず、音声、テキストデータ或いは画像データ等の任意の情報を2D画像データとして事前にコード化したデータであってもよい。

次に、第１の2D入力データがp偏光成分に記録された45度直線偏光は、第１のSLM(SLM1)６Ｂからの反射光として第４のHWP６Ｃに入射する。これにより、45度直線偏光の偏光方位が90 度回転し、第１の2D入力データが記録されたp偏光成分は、s偏光成分となる。すなわち、s偏光成分に第１の2D入力データが空間的な位相変調として記録され、p偏光成分は位相変調されていない45度直線偏光が第４のHWP６Ｃにおいて生成される。

次に、第４のHWP６Ｃを透過した45度直線偏光は、反射型の第２のSLM(SLM2)６Ｄに入射する。第２のSLM(SLM2)６Ｄでは、45度直線偏光の位相変調されていないp偏光成分が第２の2D入力データに対応するパターンで空間的に位相変調される。これにより、入力パターンに従って45度直線偏光のp偏光成分の偏光方位が画素ごとに回転する。すなわち、45度直線偏光のp偏光成分に第２の2D入力データが空間的な2D位相変調分布として記録される。

この結果、第２のSLM(SLM2)６Ｄで反射した45度直線偏光は、s偏光成分に第１の2D入力データが記録され、p偏光成分に第２の2D入力データが記録されたベクトル波となる。このように、偏光ホログラフィック記録方式では、ベクトル波の偏光方位ごとに独立かつ並列に情報を記録することができる。

尚、第１のSLM(SLM1)６Ｂと、第２のSLM(SLM2)６Ｄとの間に２つのリレーレンズを配置し、第１のSLM(SLM1)６Ｂ上における位相パターンを第２のSLM(SLM2)６Ｄ上で結像させるようにしてもよい。

そして、第２のSLM(SLM2)６Ｄにおいて45度直線偏光として生成されたベクトル波は、被検物体Ｏに照射される。この結果、偏光感受性を有する被検物体Ｏにおいて光学的に異方的な構造変化が生じ、被検物体Ｏには、ベクトル波の偏光状態に応じた複屈折が誘起される。これにより、被検物体Ｏに入射したベクトル波に位相変調パターンとして記録された第１及び第２の2D入力データが偏光ホログラムとして被検物体Ｏ内に記録される。

従って、被検物体Ｏを透過したベクトル波は、被検物体Ｏに形成された複屈折分布に応じた偏光状態を有する信号光となる。そして、被検物体Ｏを透過した信号光は、被検ベクトル波として合波検出系８に出力される。

一方、ベクトル波生成系５から出力された45度直線偏光の参照ベクトル波は、参照ベクトル波変調系７に入射する。参照ベクトル波変調系７では、45度直線偏光となった参照ベクトル波が、第２のPBS７Ａによってs偏光成分及びp偏光成分に分離される。第２のPBS７Ａで反射したs偏光成分は、第１のQWP７Ｂを経由し、円偏光となって第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃに入射する。一方、第２のPBS７Ａを透過したp偏光成分は、第２のQWP７Ｄを経由し、円偏光となって第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅに入射する。

このとき、s偏光成分及びp偏光成分に対応する各円偏光が、それぞれ式(4)のnに0等の初期値を代入した変調量で位相変調されるように光学特性算出部３から第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃ及び第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅに電圧が印加される。

このため、第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃでは、s偏光成分に対応する円偏光の位相変調が行われる。同様に、第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅでは、p偏光成分に対応する円偏光の位相変調が行われる。但し、式(4)におけるm_x及びm_yは互いに異なる自然数に設定されるため、s偏光成分に対応する円偏光の位相変調量と、p偏光成分に対応する円偏光の位相変調量は、互いに異なる変調量となる。すなわち、参照ベクトル波変調系７では、s偏光成分及びp偏光成分が互いに異なる変調量で位相変調される。

第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃで反射した位相変調後の円偏光は、再び第１のQWP７Ｂを経由し、位相変調されたp偏光となって第２のPBS７Ａを透過する。同様に、第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅで反射した位相変調後の円偏光は、再び第２のQWP７Ｄを経由し、位相変調されたs偏光となって第２のPBS７Ａで反射する。この結果、第２のPBS７Ａを透過したp偏光成分と、第２のPBS７Ａで反射したs偏光成分とを含む位相変調後の参照ベクトル波が、参照ベクトル波変調系７から合波検出系８に出力される。

このため、参照ベクトル波変調系７から合波検出系８のBS８Ａに入射した位相変調後の参照ベクトル波は、被検ベクトル波変調系６から合波検出系８のBS８Ａに入射した被検ベクトル波と合成されて撮像素子８Ｂに入射する。そして、位相変調後の参照ベクトル波と被検ベクトル波との合成ベクトル波が撮像素子８ＢであるCMOSカメラによってディジタルホログラムとして撮像される。

このような合成ベクトル波の撮像は、第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃ及び第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅを制御することによって、参照ベクトル波の２つの直交成分の各位相変調量をそれぞれ変えながら順次動的に行われる。すなわち、式(4)に示すnの値が0からN-1の範囲で順次変わるように、第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃ及び第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅの位置が順次可変制御される。

この結果、互いに異なる位相変調量に対応する複数フレームのディジタルホログラムが撮像素子８Ｂにおいて順次取得される。撮像素子８Ｂにおいて取得された合成ベクトル波のディジタルホログラムは、光学特性算出部３に出力される。

次に、ステップＳ２において、光学特性算出部３により、観測位置における被検ベクトル波の複素振幅が計算される。複素振幅は、合成ベクトル波のディジタルホログラムに基づく時間的なFT等の任意の演算によるデータ処理によって計算することができる。例えば、式(7-1)及び式(7-2)により観測位置における被検ベクトル波の複素振幅を計算することができる。

次に、ステップＳ３において、光学特性算出部３により、観測位置における被検ベクトル波の複素振幅の空間的なFTが実行される。これにより、被検ベクトル波が平面波に展開される。そして、任意の観測位置における空間的な被検ベクトル波の複素振幅が求められる。

次に、ステップＳ４において、光学特性算出部３により、被検ベクトル波の空間的な複素振幅と、被検物体Ｏに入射させたベクトル波の複素振幅の変化量が被検物体Ｏの評価情報として取得される。これにより、ユーザは、被検物体Ｏにおいて構造的な変化として形成される複屈折分布を見積もることができる。

以上のような、光学特性測定システム１は、被検物体Ｏからの信号光としての被検ベクトル波に位相変調された参照ベクトル波を重ね合わせて得られる干渉縞に基づいて、ディジタルホログラフィにより被検ベクトル波の２つの直交偏光成分である複素振幅分布を取得するようにしたものである。

（効果）
このため、光学特性測定システム１によれば、偏光ホログラフィック記録方式により記録媒体に情報が記録される過程を把握することができる。すなわち、記録媒体の光学的に異方的な構造の変化として複屈折分布の形成過程を見積もることができる。このため、記録媒体の応答の評価を行うことが可能となる。

また、記録媒体の応答に限らず、光学的に異方的に構造が変化する被検物体Ｏを評価することも可能となる。具体例として、動く生体細胞や液晶パネルなど、複屈折分布が時間的に変化する被検物体Ｏを観察することが可能となる。

また、光学特性測定システム１によれば、単一の撮像素子８Ｂを用いて被検ベクトル波の２つの成分の振幅を同時かつ独立に取得することができる。従って、２つの成分に対応する振幅間において取得時間のずれがなく、より正確な複屈折分布の経時変化を求めることが可能である。

（第１の実施形態の変形例）
図１に示す例に限らず、光学系２は様々な光学素子の組合せで構成することができる。

図５は、光学特性測定システム１の光学系２を一般化して表したブロック図である。

図５に示すように、光学特性測定システム１の光学系２は、レーザ光源２１、レンズ、ミラー及び波長板等の光学素子で構成される光学系２２、分波器２３、照明ベクトル波変調系２４、参照ベクトル波変調系２５及び合波検出系２６を適切に配置することによって構成することができる。

具体的には、レーザ光源２１から出射されたレーザ光が光学系２２に入射し、光学系２２において２つの偏光成分を有するベクトル波が生成される。ベクトル波は、分波器２３で分波され、一方は参照ベクトル波として必要な光学系２２を経由して参照ベクトル波変調系２５に出力される。他方は、被検物体Ｏを照明する照明ベクトル波として別の光学系２２を経由して照明ベクトル波変調系２４に出力される。

参照ベクトル波は、参照ベクトル波変調系２５において位相変調された後、必要な光学系２２を経由して合波検出系２６に出力される。一方、照明ベクトル波は、照明ベクトル波変調系２４において位相変調された後、必要な光学系２２を経由して被検物体Ｏに照射される。被検物体Ｏを透過した照明ベクトル波は、位相変調された被検ベクトル波として必要な光学系２２を経由して合波検出系２６に出力される。これにより、合波検出系２６では、位相変調された参照ベクトル波と位相変調された被検ベクトル波とを合成して検出することができる。

参照ベクトル波は、被検物体Ｏへの透過前のベクトル波に限らず、被検物体Ｏへの透過後のベクトル波を用いて生成することもできる。

図６は、被検物体Ｏへの透過後のベクトル波を用いて参照ベクトル波を生成する場合における光学系２の構成を一般化して表したブロック図である。

被検物体Ｏへの透過後のベクトル波を用いて参照ベクトル波を生成する場合には、レーザ光源２１から出射されたレーザ光が光学系２２に入射し、光学系２２において２つの偏光成分を有する照明ベクトル波が生成される。照明ベクトル波は、照明ベクトル波変調系２４において位相変調された後、必要な光学系２２を経由して被検物体Ｏに照射される。

被検物体Ｏを透過した照明ベクトル波は、位相変調された被検ベクトル波として必要な光学系２２を経由して分波器２３に入射する。分波器２３で分波された一方のベクトル波は、位相変調された被検ベクトル波として必要な光学系２２を経由して合波検出系２６に出力される。

分波器２３で分波され他方のベクトル波は、参照ベクトル波として必要な光学系２２を経由して参照ベクトル波変調系２５に出力される。そして、参照ベクトル波は、参照ベクトル波変調系２５において位相変調された後、必要な光学系２２を経由して合波検出系２６に出力される。

これにより、合波検出系２６では、位相変調された参照ベクトル波と位相変調された被検ベクトル波とを合成して検出することができる。この場合においても、照明ベクトル波の複素振幅が既知であるという条件と、参照ベクトル波が被検ベクトル波を既知の変調量で位相変調したベクトル波であるという条件とから、合成ベクトル波の複素振幅の検出結果に基づいて、被検ベクトル波の複素振幅を計算することができる。

また、図５及び図６に例示される参照ベクトル波変調系２５や合波検出系２６等の構成要素についても、必要な機能が得られれば任意の光学素子によって構成することができる。例えば、参照ベクトル波変調系２５であれば、ベクトル波を構成する複数の偏光成分の各位相を、時間的に互いに異なる複数の変調量で偏光成分ごとに変調することが可能な任意の光学系で構成することができる。

図７は、参照ベクトル波変調系２５を複数の可変リターダを用いて構成した例を示す図である。

図７に示すように、可変リターダの一例としての２つの電気光学(EO: electro-optic)素子３０Ａ，３０Ｂを直列に配置することによって参照ベクトル波変調系２５を構成することができる。具体的には２つのEO素子３０Ａ，３０Ｂを参照ベクトル波の光路Ｌを軸として互いに90度回転させて配置することによって参照ベクトル波のp偏光成分とs偏光成分を独立に位相変調することができる。

一般に１つのEO素子は、印加電圧に比例してp偏光成分とs偏光成分の位相を変調するが、その比例定数はそれぞれ異なる。従って、光路Ｌを軸として互いに90度回転させて２つのEO素子３０Ａ，３０Ｂを配置すれば、印加電圧を調整することによって、p偏光成分とs偏光成分の位相をそれぞれ独立に変調することができる。

尚、図７では、２つのEO素子３０Ａ，３０Ｂを用いる例を示しているが、位相変調量の幅を増やすためにさらに複数のEO素子を追加することもできる。また、絶対位相を調整するため、位相板やミラー等の光学素子を用いて光学距離を変えるようにしても良い。

そして、光学特性算出部３からの制御によって各EO素子３０Ａ，３０Ｂの変調量を時間的に変化させることができる。例えば、式(4)で示す変調量で参照ベクトル波のs偏光成分及びp偏光成分の各位相が変調されるように、各EO素子３０Ａ，３０Ｂにおける変調量を光学特性算出部３からの制御信号によって制御することができる。

尚、図７には、可変リターダの一例としてEO素子を用いる場合を例示したが、液晶可変リターダや光弾性変調器等の可変リターダを用いても同様に参照ベクトル波変調系２５を構成することができる。

別の例として、参照ベクトル波変調系２５は、複数の位相変調素子又は複数の周波数変調子を用いて構成することもできる。尚、図１に示す例は、複数の位相変調素子として第１の圧電変換器(PZT1)７Ｃ及び第２の圧電変換器(PZT2)７Ｅを用いて参照ベクトル波変調系２５を構成した例に相当する。従って、圧電変換器以外の位相変調素子を用いても同様に参照ベクトル波変調系２５を構成することができる。

図８は、複数の周波数変調子を用いて参照ベクトル波変調系２５を構成した例を示す図である。

図８に示すように、周波数変調子の一例としての２つの音響光学(AO: acousto-optic)素子４０Ａ，４０Ｂを用いて参照ベクトル波変調系２５を構成することができる。具体的には、参照ベクトル波が第１のPBS４１Ａにより直進するp偏光成分と、反射するs偏光成分とに分波される。p偏光成分の光路Ｌ上には、第１のAO素子４０Ａが配置される。一方、s偏光成分は、第１のミラー４２Ａで反射し、第２のAO素子４０Ｂに入射する。

そして、参照ベクトル波のp偏光成分を周波数変調するための第１のAO素子４０Ａと、参照ベクトル波のs偏光成分を周波数変調するための第２のAO素子４０Ｂとを用いて、それぞれ偏光成分ごとに互いに異なる変調量で周波数変調することができる。周波数変調されたp偏光成分と第２のミラー４２Ｂで反射した位相変調後のs偏光成分は、第２のPBS４１Ｂにより合成される。

これにより、異なる変調量での位相変調と等価な変調を参照ベクトル波のs偏光成分及びp偏光成分に施すことができる。図８に例示されるように、参照ベクトル波変調系２５では、位相を変調する代わりに位相変調と等価的に、異なる変調量で周波数変調を行うようにすることもできる。

このように、参照ベクトル波変調系２５は、ベクトル波を構成する複数の偏光成分の各位相及び各周波数の少なくとも一方を、時間的に互いに異なる複数の変調量で偏光成分ごとに独立に変調する光学系で構成することができる。これにより、直交する２つの偏光成分の時間波形が、互いに直交する関数となる。

また、具体的な光学素子としては、参照ベクトル波の複数の偏光成分にそれぞれ対応する複数の可変リターダ、複数の位相変調素子又は複数の周波数変調子を用いて参照ベクトル波の複数の偏光成分をそれぞれ複数の変調量で変調する光学系によって参照ベクトル波変調系２５を構成することができる。

一方、合波検出系２６についても、図１に示す合波検出系８の構成例に限らず、他の光学素子で構成することができる。例えば、図１に示す合波検出系８において、BS８Ａの代わりに、分波グレーティングや光ファイバカプラ等の分波器を用いてもよい。また、複数の変調量及び異なる偏光方位に対応する複数の偏光の強度を、異なる偏光方位ごとに分離された状態で検出するように合波検出系２６を構成することもできる。

図９は、合成ベクトル波の偏光成分を分離された状態でそれぞれ検出するように構成した合波検出系２６の例を示す図である。

図９に示すように、参照ベクトル波U_R,nと被検ベクトル波U_SとをBS５０に異なる方向から入射させることによって、ｐ偏光成分同士及びs偏光成分同士を参照ベクトル波U_R,nと被検ベクトル波U_Sとの間で合成することができる。BS５０において分波された一方の合成ベクトル波は、第１の検光子５１Ａに入射する。そして、第１の検光子５１Ａを透過したp偏光成分が第１の光検出器(PD: photo detector)５２Ａで検出される。同様に、BS５０において分波された他方の合成ベクトル波は、第２の検光子５１Ｂに入射する。そして、第２の検光子５１Ｂを透過したs偏光成分が第２のPD５２Ｂで検出される。

尚、PDとしては、フォトダイオード、電荷結合素子(CCD: Charge Coupled Device)センサ又はCMOSセンサを用いることができる。また、BS５０の代わりに分波グレーティングや光ファイバカプラ等分波器を用いてもよい。

図９に示すように合成ベクトル波を偏光成分ごとに検出すると、計算によらずに、合成ベクトル波のp偏光成分及びs偏光成分の強度を検出することができる。このため、偏光成分ごとの計算によって被検ベクトル波の複素振幅を計算することが可能となる。

この場合、合成ベクトル波から偏光成分を抽出する計算が不要となるため未知数が減り、変調量を決定するための自然数m_x, m_yをm_x=m_yとしても被検ベクトル波の複素振幅を計算することができる。すなわち、参照ベクトル波の偏光成分間において位相又は周波数の変調量を同一にすることができる。従って、参照ベクトル波をp偏光成分とs偏光成分とに分離せずに単一の圧電変換器(PZT)で位相変調するようにしてもよい。

（第２の実施形態）
図１０は本発明の第２の実施形態に係る光学特性測定システムにおいて用いられるアレイ型波長板の正面図であり、図１１は、図１０に示すアレイ型波長板の配置方法を示す図である。

図１０に示された第２の実施形態における光学特性測定システム１Ａでは、ベクトル波の互いに異なる複数の位置を複数の変調量で空間的に変調することによって複数の参照ベクトル波を生成するようにした点が図１に示す第１の実施形態における光学特性測定システム１と相違する。他の構成および作用については図１に示す光学特性測定システム１と実質的に異ならないため参照ベクトル波変調系２５のみ図示し、同一の構成については説明を省略する。

光学特性測定システム１Ａの参照ベクトル波変調系２５は、図１１に示すようにアレイ型波長板６０及びアレイ型位相板６１を被検ベクトル波の光路Ｌ上に配置して構成することができる。アレイ型波長板６０は、図１０に示すように、異なる複数の位置間において互いに異なる複数の位相差をベクトル波の複数の偏光成分間に与える波長板である。つまり、アレイ型波長板６０は、２次元的に異なる特性を有する波長板である。

より具体的には、アレイ型波長板６０は特性の異なる複数のサブ波長板６０Ａを、ベクトル波の進行方向に対して垂直な平面上において２次元的に配置して構成される。図１０に示す各サブ波長板６０Ａ内におけるnは式(4)におけるnを、φ₁及びφ₂は参照ベクトル波の各偏光成分に与えるべきnの値ごとの位相変調量を示している。

従って、各サブ波長板６０Ａを|φ₁-φ₂|波長板とすれば、式(4)においてnを０からN-1まで変化させる場合における偏光成分間の異なる複数の位相差を、アレイ型波長板６０に入射するベクトル波の異なる位置に付与することができる。すなわち、空間的に異なる偏光成分間の位相差分布を有する参照ベクトル波をアレイ型波長板６０によって生成することができる。

従って、アレイ型波長板６０を用いれば、複数の変調量で、被検ベクトル波を空間的に異なる位置で位相変調することができる。これは、アレイ型波長板６０にベクトル波を透過させることによって互いに異なる複数の変調量で位相変調された複数の参照ベクトル波を同時に生成することに相当する。

図１０は、観測データ数Nを８とした場合の例を示している。このため、互いに異なる位相差を偏光成分に与える８種類のサブ波長板６０Ａでアレイ型波長板６０が構成されている。

また、nの値(0, 1, 2, ..., N-1)に対応するN種類のサブ波長板６０Ａで１つの画素に対応するサブアレイ波長板６０Ｂを構成し、サブアレイ波長板６０Ｂを必要な画素数分だけ２次元的に配置することによってアレイ型波長板６０を構成することができる。尚、空間的な等方性を向上させる観点からは、N種類のサブ波長板６０Ａを互いに隣接して配置し、かつ正方形に近くなるように各サブ波長板６０Ａを配置することが望ましい。

|φ₁-φ₂|波長板は、s偏光成分とp偏光成分との間に、|φ₁-φ₂|の位相差を与える光学素子であるが、s偏光成分とp偏光成分の位相自体を所定の位相に変調することはできない。従って、異なる|φ₁-φ₂|波長板間において位相ずれが生じることになる。そこで、アレイ型波長板６０の後方又は前方に、異なる|φ₁-φ₂|波長板間における位相ずれを補償するためのアレイ型位相板６１が設けられる。

アレイ型位相板６１は、アレイ型波長板６０の複数の位置間において生じる各偏光成分の位相差を補償する位相板である。従って、アレイ型位相板６１も２次元的に異なる特性を有する位相板となる。|φ₁-φ₂|波長板間における位相ずれの量は、|φ₁-φ₂|波長板の材質に応じた特性に依存して変化する。従って、位相ずれの補償量は、実際にアレイ型波長板６０にベクトル波を透過させて位相ずれ量を測定するか、或いは|φ₁-φ₂|波長板の特性値をパラメータとするシミュレーションによって求めることができる。

アレイ型波長板６０で構成される参照ベクトル波変調系２５からは、画素数×Nの参照ベクトル波が出力されることとなる。そして、参照ベクトル波変調系２５から出力された複数の参照ベクトル波は、対応する画素同士で被検ベクトル波と合成される。そして、画素数×Nの合成ベクトル波が、合波検出系により検出される。

合波検出系では、図１に例示されるようにp偏光成分とs偏光成分が合成された状態で合成ベクトル波を検出することができる。或いは、図９に例示されるように、p偏光成分とs偏光成分とを別々に検出することもできる。但し、p偏光成分及びs偏光成分は、それぞれ異なる変調量に対応するN個の成分となる。

以上の第２の実施形態における光学特性測定システム１Ａは、ベクトル波を構成する複数の偏光成分の各位相を、空間的に互いに異なる複数の変調量で偏光成分ごとに変調する光学系で参照ベクトル波変調系２５を構成したものである。このため、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様な効果に加え、被検ベクトル波の複素振幅の計算に必要な情報を１回の撮像で取得することができるという効果を得ることができる。

尚、図示された例では、アレイ型波長板６０から離れた位置にアレイ型位相板６１が配置されているが、アレイ型位相板６１をアレイ型波長板６０に接着してもよい。更に、撮像素子をアレイ型位相板６１に接着するようにしてもよい。

また、アレイ型波長板６０とアレイ型位相板６１とを接着しない場合には、アレイ型波長板６０とアレイ型位相板６１との間にリレーレンズを配置することによってアレイ型波長板６０とアレイ型位相板６１とを結像関係にすることが望ましい。同様に、アレイ型位相板６１と撮像素子とを接着しない場合には、アレイ型位相板６１と撮像素子との間にリレーレンズを配置することによってアレイ型位相板６１と撮像素子とを結像関係にすることが望ましい。

或いは、アレイ型波長板６０の周期性を利用して、自己結像する位置にアレイ型位相板６１を配置し、アレイ型位相板６１の位置に対応して自己結像する位置に撮像素子を配置するようにしてもよい。

また、アレイ型波長板６０、アレイ型位相板６１及び撮像素子のうちの２つが接着され、１つが離れて配置される場合には、接着された光学素子と、離れて配置される光学素子との位置関係を、リレーレンズ又は自己結像によって結像関係が形成されるようにすることが望ましい。

（第３の実施形態）
図１２は本発明の第３の実施形態に係る光学特性測定システムにおいて用いられる空間選択的ミラーの作用を示す側面図であり、図１３は、図１２に示す空間選択的ミラーの正面図である。

図１２に示された第３の実施形態における光学特性測定システム１Ｂでは、ベクトル波を複数の変調量で空間的に位相変調する方法が図１０に示す第２の実施形態における光学特性測定システム１Ａと相違する。他の構成および作用については図１０に示す光学特性測定システム１Ａと実質的に異ならないため参照ベクトル波変調系２５及び合波検出系２６のみ図示し、同一の構成については説明を省略する。

光学特性測定システム１Ｂでは、参照ベクトル波を、被検ベクトル波に対して傾斜させて被検ベクトル波と合成された状態で検出することによって、参照ベクトル波が複数の変調量で空間的に位相変調される。すなわち、参照ベクトル波を被検ベクトル波に対して斜め方向に傾けて合成し、かつ合成位置に合波検出系２６の撮像素子やPDを配置して合成ベクトル波を検出すると、参照ベクトル波の光路長が位置に応じて変化する。このため、参照ベクトル波の各偏光成分を空間的かつ連続的に位相変調することができる。従って、位相変調量としては、各画素に対応する領域内における位相変調量の平均値等の代表値とすることができる。

従って、光学特性測定システム１Ｂの参照ベクトル波変調系２５は、参照ベクトル波を被検ベクトル波に対して傾斜させた状態で、被検ベクトル波との合成位置に向けて照射する光学系となる。図１２は参照ベクトル波のp偏光成分及びs偏光成分をそれぞれ一体型の空間選択的ミラー７０を用いて別々に被検ベクトル波に向けて斜め方向に反射できるようにした参照ベクトル波変調系２５の構成例を示している。

空間選択的ミラー７０は、図１２及び図１３に示すように、s偏光用の反射面及びp偏光用の反射面を互いに異なる傾斜角度で互いに異なる位置に有するミラー部と、被検ベクトル波を透過させる透過部とを設けて形成することができる。従って、参照ベクトル波は予めp偏光成分とs偏光成分とに分波された状態で、それぞれ空間選択的ミラー７０のp偏光用の反射面及びs偏光用の反射面に入射する。

s偏光用の反射面は、s偏光用の反射面で反射した参照ベクトル波のs偏光成分が、透過部を透過した被検ベクトル波と、合成位置において合成される傾斜角度となっている。同様に、p偏光用の反射面は、p偏光用の反射面で反射した参照ベクトル波のp偏光成分が、透過部を透過した被検ベクトル波と、合成位置において合成される傾斜角度となっている。

従って、空間選択的ミラー７０のp偏光用の反射面及びs偏光用の反射面にそれぞれ参照ベクトル波のp偏光成分及びs偏光成分を入射させると、参照ベクトル波のp偏光成分及びs偏光成分が合成位置において被検ベクトル波と合成される。

但し、被検ベクトル波の進行方向に対して参照ベクトル波のp偏光成分及びs偏光成分が傾斜している。このため、光路長の相違により合成位置において参照ベクトル波のp偏光成分及びs偏光成分が空間的に位相変調される。すなわち、被検ベクトル波の進行方向に垂直な平面において位置ごとに異なる変調量で参照ベクトル波のp偏光成分及びs偏光成分が位相変調される。

尚、空間選択的ミラー７０のように一体化されたミラーに限らず、参照ベクトル波のp偏光成分用のミラーと、参照ベクトル波のs偏光成分用のミラーとを別々に配置して参照ベクトル波変調系２５を構成することもできる。この場合、被検ベクトル波をp偏光成分とs偏光成分とに分波して、偏光成分ごとに参照ベクトル波と合成するようにしてもよい。

また、参照ベクトル波のp偏光成分及びs偏光成分を、それぞれ被検ベクトル波との合成位置に向けて斜めに進行させることが可能であれば、ミラーに限らず、BSや分波器等の他の光学素子を適切に配置することによって参照ベクトル波変調系２５を構成することができる。

以上のような第３の実施形態における光学特性測定システム１Ｂによれば、第２の実施形態における光学特性測定システム１Ａと同様な空間的な位相変調による効果を得ることができる。また、簡易な構成で、参照ベクトル波の空間的な位相変調を行うことができる。

（第４の実施形態）
図１４は本発明の第４の実施形態に係る光学特性測定システムに用いられる光学系の構成図である。

図１４に示された第４の実施形態における光学特性測定システム１Ｃでは、被検ベクトル波の複素振幅の計算に用いられる合成ベクトル波の各位相変調量に対応する各偏光成分の強度が、それぞれ分離された状態で別々にPDで検出されるようにした点が、図１０に示す第２の実施形態における光学特性測定システム１Ａと相違する。他の構成および作用については図１０に示す光学特性測定システム１Ａと実質的に異ならないため、参照ベクトル波の位相変調、位相変調された参照ベクトル波と被検ベクトル波の偏光成分ごとの合波及び合波されたベクトル波の検出を行うための光学系のみ図示し、同一の構成については説明を省略する。

光学特性測定システム１Ｃでは、複数の変調量及び各偏光方位に対応する複数の偏光が、偏光方位及び複数の変調量ごとに分離された状態で検出される。従って、検出すべき偏光成分の数だけPD等の撮像素子が設けられる。そして、各撮像素子において検出される偏光が、必要な変調量で位相変調され、かつ必要な偏光方位となるように波長板、PBS及びBS等の光学素子が配置される。

以上のような第４の実施形態における光学特性測定システム１Ｃは、被検ベクトル波を複数の偏光成分に分波して、分波された複数の偏光成分を空間的に異なる位置において異なる変調量で位相変調するようにしたと言うこともできる。従って、第４の実施形態における光学特性測定システム１Ｃによれば、第２の実施形態における光学特性測定システム１Ａと同様な空間的な位相変調による効果を得ることができる。また、汎用性の高い光学素子の組合せによって簡易に参照ベクトル波の位相変調を行うことができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

例えば、各実施形態において、参照ベクトル波の位相変調に代えて、或いは位相変調に加えて、参照ベクトル波の周波数変調を行うことができる。すなわち、ベクトル波を構成する複数の偏光成分の各位相及び各周波数の少なくとも一方を、互いに異なる複数の変調量で時間的又は空間的に変調することによって複数の参照ベクトル波を生成することができる。

また、複数の可変リターダをベクトル波の光路Ｌ上に配置した光学系やアレイ型波長板６０のように、ベクトル波を構成する複数の偏光成分の各位相及び各周波数の少なくとも一方を、時間的又は空間的に互いに異なる複数の変調量で偏光成分ごとに変調する光学系は、様々な用途に用いることができる。

また、各計算式は一例であり、解析手法に応じた式を用いることができる。例えば、式(7-1)及び式(7-2)のN-1を2(N-1)とするなど、式の立て方によっては式(4)におけるmx, myを自然数でない値に決定することができる場合もある。

また、上述した各実施形態では、被検物体Ｏの位置及び物性値の変化が無視できることを前提として説明したが、被検物体Ｏが動く場合や光学異方性等の被検物体Ｏの物性値が変化する場合には、観測データ数Nを多くすることによって，被検物体Ｏの位置又は物性値の変化を複素振幅分布の変化として間接的に観測することが可能である。

また、複素振幅分布の経時変化は、予め定めた観測データ数N毎に求めるだけでなく、計測時間中に観測データが取得される都度、順次取得済みの全ての観測データ数をNとして求めることもできる。計測時間中に順次取得されるデータを用いて複素振幅分布の経時変化を求める場合には、被検ベクトル波の２成分と参照ベクトル波の２成分との間の位相差を利用して被検物体Ｏの位置又は物性値の変化を捉えることができる。

例えば、参照ベクトル波のp偏光成分の位相をπ/4ずつ変化させた場合に、被検ベクトル波のp偏光成分の位相がπ/8ずつ変化していれば、被検物体Ｏの変化に起因して被検ベクトル波のp偏光成分の位相がπ/8ずつ変化したことになる。従って、参照ベクトル波に与えた位相変化量と、観測された被検ベクトル波の位相変化量との差分を求めることにより、被検物体Ｏの位置や物性値等の経時変化を求めることができる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ光学特性測定システム
２光学系
３光学特性算出部
４表示装置
５ベクトル波生成系
５Ａレーザ光源
５Ｂ第１の1/2波長板
５Ｃビームエクスパンダ
５Ｄ第１の偏光ビームスプリッタ
５Ｅ第２の1/2波長板
５Ｆミラー
５Ｇ対物レンズ
５Ｈ空間フィルタ
５Ｉコリメータレンズ
６被検ベクトル波変調系
６Ａ第３の1/2波長板
６Ｂ第１の空間光変調器
６Ｃ第４の1/2波長板
６Ｄ第２の空間光変調器
７参照ベクトル波変調系
７Ａ第２の偏光ビームスプリッタ
７Ｂ第１の1/4波長板
７Ｃ第１の圧電変換器
７Ｄ第２の1/4波長板
７Ｅ第２の圧電変換器
８合波検出系
８Ａビームスプリッタ
８Ｂ撮像素子
９Ａ、９Ｂリレーレンズ
１０対物レンズ
２１レーザ光源
２２光学系
２３分波器
２４照明ベクトル波変調系
２５参照ベクトル波変調系
２６合波検出系
３０Ａ，３０Ｂ電気光学(EO)素子
４０Ａ，４０Ｂ AO素子
４１Ａ、４１Ｂ偏光ビームスプリッタ(PBS)
４２Ａ、４２Ｂミラー
５０ビームスプリッタ(BS)
５１Ａ、５１Ｂ検光子
５２Ａ、５２Ｂ光検出器(PD)
６０アレイ型波長板
６１アレイ型位相板
７０空間選択的ミラー
Ｏ被検物体
Ｌ光路

Claims

互いに直交する偏光方位を有する第１の複数の偏光成分をそれぞれ含み、かつ位相及び周波数の少なくとも一方が互いに異なる複数の変調量で変調された参照光としての複数の参照ベクトル波を、前記偏光方位を有する第２の複数の偏光成分を含む被検物体からの透過光又は反射光としての被検ベクトル波と、対応する偏光成分ごとにそれぞれ合成することによって前記複数の変調量及び前記偏光方位に対応する複数の偏光の強度を取得する光学系と、
前記複数の偏光の強度に基づいて、少なくとも観測位置における前記被検ベクトル波の前記第２の複数の偏光成分の各振幅を求める光学特性算出部と、
を備える光学特性測定システム。
前記光学特性算出部は、前記観測位置における前記被検ベクトル波の前記各振幅に基づいて、複数の観測位置における前記被検ベクトル波の前記複数の偏光成分の空間的な各振幅を求めるように構成される請求項１記載の光学特性測定システム。
前記光学特性算出部は、前記被検ベクトル波の前記第２の複数の偏光成分の空間的な前記各振幅と、前記被検物体に入射させたベクトル波の複数の偏光成分の空間的な各振幅との変化量を、前記被検物体の評価情報として取得するように構成される請求項２記載の光学特性測定システム。
前記光学系は、ベクトル波の互いに異なる複数の位置を前記複数の変調量で空間的に変調することによって前記複数の参照ベクトル波を生成するように構成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学特性測定システム。
前記光学系は、ベクトル波を互いに異なる複数のタイミングにおいて前記複数の変調量で時間的に変調することによって前記複数の参照ベクトル波を順次生成するように構成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学特性測定システム。
前記光学系は、前記複数の偏光を、前記偏光方位ごとに分離された状態で検出するように構成される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学特性測定システム。
前記光学系は、前記複数の偏光を、前記偏光方位及び前記複数の変調量ごとに分離された状態で検出するように構成される請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学特性測定システム。
前記光学系は、前記複数の偏光を、前記偏光方位間で合成された状態で検出するように構成される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学特性測定システム。
前記光学系は、前記第１の複数の偏光成分間において互いに異なる変調量で前記第１の複数の偏光成分を変調することによって前記複数の参照ベクトル波を生成するように構成される請求項８記載の光学特性測定システム。
前記光学系は、前記異なる複数の位置間において互いに異なる複数の位相差を偏光成分間に与える波長板に前記ベクトル波を透過させることによって前記複数の参照ベクトル波を生成するように構成される請求項４記載の光学特性測定システム。
前記光学系は、前記ベクトル波を、前記被検ベクトル波に対して傾斜させて前記被検ベクトル波と合成された状態で検出することによって前記ベクトル波を前記複数の変調量で空間的に変調するように構成される請求項４記載の光学特性測定システム。
前記光学系は、前記第１の複数の偏光成分にそれぞれ対応する複数の可変リターダ、複数の位相変調素子又は複数の周波数変調子を用いて前記第１の複数の偏光成分をそれぞれ変調するように構成される請求項５記載の光学特性測定システム。
互いに直交する偏光方位を有する複数の偏光成分をそれぞれ含み、かつ位相及び周波数の少なくとも一方が互いに異なる複数の変調量で変調された参照光としての複数の参照ベクトル波を、前記偏光方位を有する複数の偏光成分を含む被検物体からの透過光又は反射光としての被検ベクトル波と、対応する偏光成分ごとにそれぞれ合成することによって前記複数の変調量及び前記偏光方位に対応する複数の偏光の強度を取得するステップと、
前記複数の偏光の強度に基づいて、少なくとも観測位置における前記被検ベクトル波の前記複数の偏光成分の各振幅を求めるステップと、
を有する光学特性計測方法。
ベクトル波を構成する複数の偏光成分の各位相及び各周波数の少なくとも一方を、時間的又は空間的に互いに異なる複数の変調量で偏光成分ごとに変調するように構成され、
異なる複数の位置間において互いに異なる複数の位相差を前記複数の偏光成分間に与える２次元的に異なる特性を有するアレイ型波長板と、
前記複数の位置間において生じる前記各偏光成分の位相差を補償する位相板と、
を備える光学系。