JPH0778456B2 - 光の偏光状態を測定するための光検知器の配置 - Google Patents
光の偏光状態を測定するための光検知器の配置Info
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- JPH0778456B2 JPH0778456B2 JP61503602A JP50360286A JPH0778456B2 JP H0778456 B2 JPH0778456 B2 JP H0778456B2 JP 61503602 A JP61503602 A JP 61503602A JP 50360286 A JP50360286 A JP 50360286A JP H0778456 B2 JPH0778456 B2 JP H0778456B2
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J4/00—Measuring polarisation of light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J4/00—Measuring polarisation of light
- G01J4/04—Polarimeters using electric detection means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
- G01N21/211—Ellipsometry
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、一般に、比較的簡単な光偏光計および光線の
偏光状態の測定方法に関し、さらに詳しくは、独創的か
つ単純な光偏光計、ならびに何ら通常の従来技術に基づ
く偏光素子例えば波動遅延器および偏光器を必要としな
い光線の偏光状態を決定する４つのストークスパラメー
タ全ての同時測定方法に関する。
偏光状態の測定方法に関し、さらに詳しくは、独創的か
つ単純な光偏光計、ならびに何ら通常の従来技術に基づ
く偏光素子例えば波動遅延器および偏光器を必要としな
い光線の偏光状態を決定する４つのストークスパラメー
タ全ての同時測定方法に関する。
背景技術 最も一般的な光線の部分的な偏光状態は、４つのストー
クスパラメータでうまく表現される（例えば、M.Born a
nd E.Worf,Principle of Optics（Pergamon,New York,1
975）,554頁参照）。ストークスパラメータの測定のた
めに数多くの光偏光計が提唱され、それについての優れ
たレビューが、P.S.HaugeによりSurface Sci.96,108（1
980）に、またK.SerkowskiによりPlanet,Stars and Neb
ulae Studied with Photopolarimetry（University of
Arizona Press,Tucson,1977） 135−174頁に紹介されている。光線は、通常、一連の光
学素子例えば直線遅延器、回転器および偏光計からなる
光学分析計を通過させ、通過光束は直線光検知器により
測定される。光束は、光学分析計の種々の（少なくとも
４つの）設定に対し繰り返されるか、あるいは連続的か
つ周期的な変調が一以上の光学素子に印加され、検出さ
れる信号がフーリエ解析され４つのストークスパラメー
タが決定される（R.M.A.Azzam,Optik,52,253（197
9））。４つのストークスパラメータ全てを同時測定す
るためのその他の従来技術は、波面の分割（E.Collett,
Surface Sci.96,156（1980））および振幅の分割（R.M.
A.Azzam,Optica Acta 29,685（1982））を用いることで
ある。前述した光偏光計は全て偏光光学素子例えば波動
遅延器および偏光計を必要とする。
クスパラメータでうまく表現される（例えば、M.Born a
nd E.Worf,Principle of Optics（Pergamon,New York,1
975）,554頁参照）。ストークスパラメータの測定のた
めに数多くの光偏光計が提唱され、それについての優れ
たレビューが、P.S.HaugeによりSurface Sci.96,108（1
980）に、またK.SerkowskiによりPlanet,Stars and Neb
ulae Studied with Photopolarimetry（University of
Arizona Press,Tucson,1977） 135−174頁に紹介されている。光線は、通常、一連の光
学素子例えば直線遅延器、回転器および偏光計からなる
光学分析計を通過させ、通過光束は直線光検知器により
測定される。光束は、光学分析計の種々の（少なくとも
４つの）設定に対し繰り返されるか、あるいは連続的か
つ周期的な変調が一以上の光学素子に印加され、検出さ
れる信号がフーリエ解析され４つのストークスパラメー
タが決定される（R.M.A.Azzam,Optik,52,253（197
9））。４つのストークスパラメータ全てを同時測定す
るためのその他の従来技術は、波面の分割（E.Collett,
Surface Sci.96,156（1980））および振幅の分割（R.M.
A.Azzam,Optica Acta 29,685（1982））を用いることで
ある。前述した光偏光計は全て偏光光学素子例えば波動
遅延器および偏光計を必要とする。
発明の開示 本発明は、本明細書中での教示に従い、第１の入射面に
対して傾いた角度の光線を部分的に正反射する表面を有
する第１の光検知器に光線が入射し、その面で部分的に
光線が反射される光偏光計および光偏光測定方法を提供
することである。第１の光検知器は、そこで吸収された
電磁線に比例する大きさを有する第１の電気的出力信号
を生ずる。
対して傾いた角度の光線を部分的に正反射する表面を有
する第１の光検知器に光線が入射し、その面で部分的に
光線が反射される光偏光計および光偏光測定方法を提供
することである。第１の光検知器は、そこで吸収された
電磁線に比例する大きさを有する第１の電気的出力信号
を生ずる。
第１の光検知器から部分的に反射された光線は、光線を
部分的に正反射する表面を有する第２の光検知器上で反
射される。第２の光検知器は、光線が第１の入射面とは
異なる第２の入射面に対して傾いた角度でそれに入射す
るように位置し、これから部分的に光線を反射する。第
２の光検知器もまたそれにより吸収される電磁波に比例
する大きさの第２の電気的出力信号を生ずる。
部分的に正反射する表面を有する第２の光検知器上で反
射される。第２の光検知器は、光線が第１の入射面とは
異なる第２の入射面に対して傾いた角度でそれに入射す
るように位置し、これから部分的に光線を反射する。第
２の光検知器もまたそれにより吸収される電磁波に比例
する大きさの第２の電気的出力信号を生ずる。
第２の光検知器から部分的に反射された光線は、部分的
に光線を正反射する表面を有する第３の光検知器上で反
射される。第３の光検知器は、光線が第２の入射面とは
異なる第３の入射面に対して傾いた角度でそれに入射す
るように位置し、これから部分的に光線を反射する。第
３の光検知器もまたそれにより吸収される電磁波に比例
する第３の電気的出力信号を生ずる。
に光線を正反射する表面を有する第３の光検知器上で反
射される。第３の光検知器は、光線が第２の入射面とは
異なる第３の入射面に対して傾いた角度でそれに入射す
るように位置し、これから部分的に光線を反射する。第
３の光検知器もまたそれにより吸収される電磁波に比例
する第３の電気的出力信号を生ずる。
第３の光検知器から部分的に反射された光線は、実質的
に全ての光を吸収する表面を有する第４の光検知器上で
反射される。第４の光検知器は、それにより吸収される
電磁波に比例する大きさの第４の電気的出力信号を生ず
る。
に全ての光を吸収する表面を有する第４の光検知器上で
反射される。第４の光検知器は、それにより吸収される
電磁波に比例する大きさの第４の電気的出力信号を生ず
る。
極めて特徴的なことには、第１、第２、第３および第４
の出力信号は、光線の偏光状態を決定する４つのストー
クスパラメータ全てを同時測定するために使用される。
このことは、まず４行４列の光偏光計行列を決定し、
第１、第２、第３および第４の出力信号の各々を対応す
るデジタル信号に変換し、＝-1（式中、は４行
４列の光偏光計行列であり、は前記第１、第２、第３
および第４の出力信号からなる４行１列の単一信号ベク
トルである。）に従い、４つのストークスパラメータの
個々を計算する。計算＝-1を実施するためには、
好ましくは、マイクロコンピユータを使用し、または
-1をマイクロコンピユータのメモリーに記憶させる。
は、好ましくは４つの光検知器の配置を較正し、の
決定のそれぞれの入力状態に対応する信号ベクトルを記
録することにより決定され、この較正工程には、光偏光
計を、４つの線形独立な公知のストークスベクトルで表
される４つの異なる線形独立な状態に順次偏光される入
力光で照射する工程が含まれる。はまた、ミューラー
の行列と回転行列とを使用して計算することにより
決定することもできる。本発明の偏光計および方法は、
従来技術の偏光計に比べて以下の長所を有する。
の出力信号は、光線の偏光状態を決定する４つのストー
クスパラメータ全てを同時測定するために使用される。
このことは、まず４行４列の光偏光計行列を決定し、
第１、第２、第３および第４の出力信号の各々を対応す
るデジタル信号に変換し、＝-1（式中、は４行
４列の光偏光計行列であり、は前記第１、第２、第３
および第４の出力信号からなる４行１列の単一信号ベク
トルである。）に従い、４つのストークスパラメータの
個々を計算する。計算＝-1を実施するためには、
好ましくは、マイクロコンピユータを使用し、または
-1をマイクロコンピユータのメモリーに記憶させる。
は、好ましくは４つの光検知器の配置を較正し、の
決定のそれぞれの入力状態に対応する信号ベクトルを記
録することにより決定され、この較正工程には、光偏光
計を、４つの線形独立な公知のストークスベクトルで表
される４つの異なる線形独立な状態に順次偏光される入
力光で照射する工程が含まれる。はまた、ミューラー
の行列と回転行列とを使用して計算することにより
決定することもできる。本発明の偏光計および方法は、
従来技術の偏光計に比べて以下の長所を有する。
（１）本発明は、４つのストークスパラメータ全て、し
たがって、（部分的に長円形な）偏光の最も一般的な状
態を決定する完全な偏光計である。
たがって、（部分的に長円形な）偏光の最も一般的な状
態を決定する完全な偏光計である。
（２）４つのストークスパラメータ全ては逐次的ではな
く、同時に決定される。
く、同時に決定される。
（３）別個の偏光光学素子例えばシートもしくは結晶偏
光子または四分の一波長板を必要とせず、実際には、光
検知器の部分的な反射表面（第１図におけるD0，D1およ
びD2）がこれらの機能を行う。
光子または四分の一波長板を必要とせず、実際には、光
検知器の部分的な反射表面（第１図におけるD0，D1およ
びD2）がこれらの機能を行う。
（４）本装置は、同期式の回転光学素子を使用する従来
技術の偏光計と比べて可動部品を有しない（D.E.Aspnes
and P.S.Hauge,J.Opt.Soc.Am.66,949（1976））。
技術の偏光計と比べて可動部品を有しない（D.E.Aspnes
and P.S.Hauge,J.Opt.Soc.Am.66,949（1976））。
（５）変調器例えばしばしば使用される光弾性装置（例
えばR.J.Perry,A,H.Hunt and D.R.Huffman,Appl.Opt.1
7,2700（1978））も必要としない。
えばR.J.Perry,A,H.Hunt and D.R.Huffman,Appl.Opt.1
7,2700（1978））も必要としない。
（６）本発明は４つのソリッドステートな光検知器から
なる堅固な設計を提供する。
なる堅固な設計を提供する。
（７）本発明は４つの光検知器により分割される入力光
束を偏光決定に対し十分かつ完全に使用する。
束を偏光決定に対し十分かつ完全に使用する。
（８）４つの検知器の幾何学的配置（入射角、連続する
入射面間の角度）、誘電体薄膜被覆により非常に改善す
ることのできる個々の検知器の表面反射パラメータ（r,
ψ，δ）および光電応答因子、さらには、後検知利得
（k0，k1，k2およびk3）等最適性能を達成できるように
複数の固有の自由度を付与できる。
入射面間の角度）、誘電体薄膜被覆により非常に改善す
ることのできる個々の検知器の表面反射パラメータ（r,
ψ，δ）および光電応答因子、さらには、後検知利得
（k0，k1，k2およびk3）等最適性能を達成できるように
複数の固有の自由度を付与できる。
（９）本機器はオンラインマイクロコンピュータに容易
に介在させることができ、このマイクロコンピュータは
その入力としてデジタル化された出力電気信号i0，i1，
i2およびi3を受信する。マイクロコンピュータは機器行
列を記憶し、その逆数を決定し、４つのストークスパ
ラメータを計算する。その結果は適当な出力装置に表示
することができる。
に介在させることができ、このマイクロコンピュータは
その入力としてデジタル化された出力電気信号i0，i1，
i2およびi3を受信する。マイクロコンピュータは機器行
列を記憶し、その逆数を決定し、４つのストークスパ
ラメータを計算する。その結果は適当な出力装置に表示
することができる。
光の偏光状態を測定するための光検知器に対する本発明
の前述した長所は、添付の図面を参照して、以下の好ま
しい実施態様を参照すれば、当業者には容易に理解され
るであろう。尚、図面において、同一の要素は同一の参
照符号で表す。
の前述した長所は、添付の図面を参照して、以下の好ま
しい実施態様を参照すれば、当業者には容易に理解され
るであろう。尚、図面において、同一の要素は同一の参
照符号で表す。
図面の簡単な説明 第１図は本発明の教示に従う構造の光偏光計の代表的な
実施態様の概略的なダイアグラム、第２図は第１図の４
つの光検知器の出力信号を処理するための信号処理配置
の代表的なブロックダイアグラムである。
実施態様の概略的なダイアグラム、第２図は第１図の４
つの光検知器の出力信号を処理するための信号処理配置
の代表的なブロックダイアグラムである。
発明を実施するための最良の形態 図面を詳細に参照した場合、第１図は４つの光検知器
D0，D1，D2およびD3の配置である本提案の概略的なダイ
アグラムを図示するものである。D0，D1およびD2の表面
は部分的に正反射するように傾いていて、D3の表面は、
通常そこに入射する光に対して、例えば反射防止被覆に
より、実質的に光を全て吸収する。個々の光検知器Dm
は、それが吸収する光束に比例する出力電気信号im（ｍ
＝0,1,2,3）を発生する。
D0，D1，D2およびD3の配置である本提案の概略的なダイ
アグラムを図示するものである。D0，D1およびD2の表面
は部分的に正反射するように傾いていて、D3の表面は、
通常そこに入射する光に対して、例えば反射防止被覆に
より、実質的に光を全て吸収する。個々の光検知器Dm
は、それが吸収する光束に比例する出力電気信号im（ｍ
＝0,1,2,3）を発生する。
当業者であれば十分に理解されるであろうが、入力光線
に対する入射面は表面平面（すなわち検知器の部分的に
正反射する表面）に対して垂直な線と入射光線の伝達方
向により定義される。同じく当業者には理解されるであ
ろうが、光が非被覆研磨表面から反射される場合にはか
ならず、反射光の大部分は入射面ではなく入射面に直角
に振動している。研磨表面からの反射により生じた偏光
の量は表面に入射する光の角度にもまた直接関係する。
したがって、検知器D0（およびD1，D2）により吸収およ
び検知される光は入射光線の偏光状態および検知器D0の
表面に関するその入射角に直接関係する。
に対する入射面は表面平面（すなわち検知器の部分的に
正反射する表面）に対して垂直な線と入射光線の伝達方
向により定義される。同じく当業者には理解されるであ
ろうが、光が非被覆研磨表面から反射される場合にはか
ならず、反射光の大部分は入射面ではなく入射面に直角
に振動している。研磨表面からの反射により生じた偏光
の量は表面に入射する光の角度にもまた直接関係する。
したがって、検知器D0（およびD1，D2）により吸収およ
び検知される光は入射光線の偏光状態および検知器D0の
表面に関するその入射角に直接関係する。
測定される入射（または入力）光のストークスベクトル
を により表せば、光検知器D0，D1およびD2の表面から反射
される光のストークスベクトルは、それぞれ、0 ＝0 1 ＝1 1（α1）0 （２）2 ＝2 2（α2）1 1（α1）0 により与えられる。ミューラー行列の計算法の議論につ
いては、例えばW.A.ShurcliffのPolarized Light（Harv
ard University Press,Cambridge,1962）第８章参照。
ｎ（ｎ＝0,1,2）は、ｎ番目の検知器からの反射に対
して、入射面に平行な方向（pn）と直交する方向（sn）
の相互に直交する方向に対して定義されている。（Ｓは
直交軸p0，s0に対して定義される。）反射により偏光状
態が受ける影響はpn，snの座標系を基準とするミューラ
ー行列nにより説明される。第２式において、４×４
のミューラー回転行列1（α1）および2（α2）は１
つの反射面から次の反射面に向かう入射面の回転を説明
する。第１図に図示したように、α1は方向p1とp0との
間の角度であり、同様に、α2は方向p2とp1との間の角
度である。
を により表せば、光検知器D0，D1およびD2の表面から反射
される光のストークスベクトルは、それぞれ、0 ＝0 1 ＝1 1（α1）0 （２）2 ＝2 2（α2）1 1（α1）0 により与えられる。ミューラー行列の計算法の議論につ
いては、例えばW.A.ShurcliffのPolarized Light（Harv
ard University Press,Cambridge,1962）第８章参照。
ｎ（ｎ＝0,1,2）は、ｎ番目の検知器からの反射に対
して、入射面に平行な方向（pn）と直交する方向（sn）
の相互に直交する方向に対して定義されている。（Ｓは
直交軸p0，s0に対して定義される。）反射により偏光状
態が受ける影響はpn，snの座標系を基準とするミューラ
ー行列nにより説明される。第２式において、４×４
のミューラー回転行列1（α1）および2（α2）は１
つの反射面から次の反射面に向かう入射面の回転を説明
する。第１図に図示したように、α1は方向p1とp0との
間の角度であり、同様に、α2は方向p2とp1との間の角
度である。
その分割された経路に沿っての光の光束は、それぞれ、
ストークスベクトル，0 1および2の第１の要
素であるS0，S0 0，S1 0およびS2 0により与えられる。ｎ
番目の検知器の電気出力信号はその吸収する光束に比例
し、したがって、 である。
ストークスベクトル，0 1および2の第１の要
素であるS0，S0 0，S1 0およびS2 0により与えられる。ｎ
番目の検知器の電気出力信号はその吸収する光束に比例
し、したがって、 である。
比例定数knは検知器Dnの特性であり、あらゆる後検知増
幅因子を含む。式（１）−（３）から４つの出力信号
i0，i1，i2およびi3は、入力光の４つのストークスパラ
メータS0，S1，S2およびS3の線形結合である。したがっ
て、 または、さらにコンパクトに、 ＝ （５） と書くことができる。
幅因子を含む。式（１）−（３）から４つの出力信号
i0，i1，i2およびi3は、入力光の４つのストークスパラ
メータS0，S1，S2およびS3の線形結合である。したがっ
て、 または、さらにコンパクトに、 ＝ （５） と書くことができる。
すなわち、は式（４）の左辺を表す４×１の単一信号
ベクトルであり、は右辺を表す実数の４×４の機器行
列である。逆行列は式（５）から ＝-1 （６） を生ずる。式（６）は入力光の未知のストークスベクト
ルが信号ベクトルおよび機器行列からいかにして
得ることができるかを示す。もちろんは正則でなけれ
ばならず、光線が一平面に残存しないという条件を要す
る（すなわち、所定の反射のための入射面は先行する入
射面に関して回転する必要がある。
ベクトルであり、は右辺を表す実数の４×４の機器行
列である。逆行列は式（５）から ＝-1 （６） を生ずる。式（６）は入力光の未知のストークスベクト
ルが信号ベクトルおよび機器行列からいかにして
得ることができるかを示す。もちろんは正則でなけれ
ばならず、光線が一平面に残存しないという条件を要す
る（すなわち、所定の反射のための入射面は先行する入
射面に関して回転する必要がある。
機器行列は４つの光検知器の配置および特性から計算
される。ｐおよびｓの線形偏光（入射面に対して平行お
よび垂直）が反射の固有偏光であれば、ミューラーの行
列は、（R.M.A.Azzam and N.M.Bashara,Ellipsometry
and Polarized Light（North Holland,Amsterdam,197
7）,pp.491−２）により、 （式中、ｒは非偏光または円偏光入射光に対する強度反
射率であり、tanψexp（ｊδ）は複合ｐおよびｓ反射相
関係数の比である。）で与えられる。回転行列は、（R.
M.A.Azzam and N.M.Bashara,Ellipsometry and Polar
ized Light（North Holland,Amsterdam,1977）pp.491−
２）により、 で与えられる。
される。ｐおよびｓの線形偏光（入射面に対して平行お
よび垂直）が反射の固有偏光であれば、ミューラーの行
列は、（R.M.A.Azzam and N.M.Bashara,Ellipsometry
and Polarized Light（North Holland,Amsterdam,197
7）,pp.491−２）により、 （式中、ｒは非偏光または円偏光入射光に対する強度反
射率であり、tanψexp（ｊδ）は複合ｐおよびｓ反射相
関係数の比である。）で与えられる。回転行列は、（R.
M.A.Azzam and N.M.Bashara,Ellipsometry and Polar
ized Light（North Holland,Amsterdam,1977）pp.491−
２）により、 で与えられる。
式（７）および（８）を式（１）−（３）と合わせる
と、行列の個々の要素amnの明確な提示が可能とな
る。r,ψ，δが任意で個々の検知器で異なり、回転
α1，α2が等しくない一般の場合に対する結果は本明細
書中で取り扱うには余りに複雑すぎる。そこで、説明の
ため、最初の３つの検知器の全ての反射パラメータが同
一である場合を考え、さらにδ＝90°（入射角を主角に
等しく選択することにより、これは可能である。）と仮
定する（R.M.A.Azzam and A.R.M.Zaghloul,J.Opt.Soc.A
m.67,1058（1977）;R.M.A.Azzam,J.Opt.Soc.Am 71,1523
（1981）参照。）式（７）においてδ＝90°を設定する
ことにより、単純なミューラーの行列が得られる。α
1＝α2＝45°に選択すると、式（８）の回転行列
（α）も単純化される。式（１）−（３）においてこれ
らの整理された行列の置換は以下の機器行列 （式中、ｔ＝１−r,a＝sin2ψ,b＝−cos2ψ＝−（１−a
2）0・5……（10））で与えられる。式（９）のが正則
であることが必須である。の行列式は、 det＝（k0k1k2k3）r6a3b3 （ψ≠0,π/4,またはπ/2であれば、０ではない。）で
与えられる。
と、行列の個々の要素amnの明確な提示が可能とな
る。r,ψ，δが任意で個々の検知器で異なり、回転
α1，α2が等しくない一般の場合に対する結果は本明細
書中で取り扱うには余りに複雑すぎる。そこで、説明の
ため、最初の３つの検知器の全ての反射パラメータが同
一である場合を考え、さらにδ＝90°（入射角を主角に
等しく選択することにより、これは可能である。）と仮
定する（R.M.A.Azzam and A.R.M.Zaghloul,J.Opt.Soc.A
m.67,1058（1977）;R.M.A.Azzam,J.Opt.Soc.Am 71,1523
（1981）参照。）式（７）においてδ＝90°を設定する
ことにより、単純なミューラーの行列が得られる。α
1＝α2＝45°に選択すると、式（８）の回転行列
（α）も単純化される。式（１）−（３）においてこれ
らの整理された行列の置換は以下の機器行列 （式中、ｔ＝１−r,a＝sin2ψ,b＝−cos2ψ＝−（１−a
2）0・5……（10））で与えられる。式（９）のが正則
であることが必須である。の行列式は、 det＝（k0k1k2k3）r6a3b3 （ψ≠0,π/4,またはπ/2であれば、０ではない。）で
与えられる。
機器行列は、既に前述したように、計算することがで
きるが、さらに実際的なアプローチは４つの検知器の所
定の配置についての計算によりを測定することであ
る。この工程においては、機器は、続いて、４つの異な
る線形独立な状態、すなわち、４つの線形独立なストー
クベクトルで表される状態に偏光する入力光で照射さ
れ、対応する信号ベクトルは各入力状態に対して記録さ
れる。このデータは、式（４）によりを完全に特定す
るのに十分であり、然る後、偏光計は未知の入力偏光状
態を決定するために使用することができる。は光の波
長の関数であることに注意するべきで、目的とするスペ
クトル領域全体にわたって測定するべきである。単色偏
光計は、さらに一般的な型のレーザ例えば632.8nmのHe
−Neレーザまたは10.6μｍのCO2レーザの１つにより光
が発生させられる場合の用途に適当である。
きるが、さらに実際的なアプローチは４つの検知器の所
定の配置についての計算によりを測定することであ
る。この工程においては、機器は、続いて、４つの異な
る線形独立な状態、すなわち、４つの線形独立なストー
クベクトルで表される状態に偏光する入力光で照射さ
れ、対応する信号ベクトルは各入力状態に対して記録さ
れる。このデータは、式（４）によりを完全に特定す
るのに十分であり、然る後、偏光計は未知の入力偏光状
態を決定するために使用することができる。は光の波
長の関数であることに注意するべきで、目的とするスペ
クトル領域全体にわたって測定するべきである。単色偏
光計は、さらに一般的な型のレーザ例えば632.8nmのHe
−Neレーザまたは10.6μｍのCO2レーザの１つにより光
が発生させられる場合の用途に適当である。
本明細書中に記載された偏光計および方法は、従来の偏
光計に比べて、以下のような長所を有する。
光計に比べて、以下のような長所を有する。
（１）本発明は、４つのストークスパラメータ全て、し
たがって、（部分的に長円形な）偏光の最も一般的な状
態を決定する完全な偏光計である。
たがって、（部分的に長円形な）偏光の最も一般的な状
態を決定する完全な偏光計である。
（２）４つのストークスパラメータ全ては逐次的ではな
く、同時に決定される。
く、同時に決定される。
（３）別個の偏光光学素子例えばシートもしくは結晶偏
光子または四分の一波長板を必要とせず、実際には、光
検知器の部分的な反射表面（第１図におけるD0，D1およ
びD2）がこれらの機能を行う。
光子または四分の一波長板を必要とせず、実際には、光
検知器の部分的な反射表面（第１図におけるD0，D1およ
びD2）がこれらの機能を行う。
（４）本装置は、同期式の回転光学素子を使用する従来
技術の偏光計と比べて可動部品を有しない（D.E.Aspnes
and P.S.Hauge,J.Opt.Soc.Am.66,949（1976））。
技術の偏光計と比べて可動部品を有しない（D.E.Aspnes
and P.S.Hauge,J.Opt.Soc.Am.66,949（1976））。
（５）変調器例えばしばしば使用される光弾性装置（例
えばR.J.Perry,A,H.Hunt and D.R.Huffman,Appl.Opt.1
7,2700（1978））も必要としない。
えばR.J.Perry,A,H.Hunt and D.R.Huffman,Appl.Opt.1
7,2700（1978））も必要としない。
（６）本発明は４つのソリッドステートな光検知器から
なる堅固な設計を提供する。
なる堅固な設計を提供する。
（７）本発明は４つの光検知器により分割される入力光
束を偏光決定に対し十分かつ完全に使用する。
束を偏光決定に対し十分かつ完全に使用する。
（８）４つの検知器の幾何学的配置（入射角、連続する
入射面間の角度）、誘電体薄膜被覆により非常に改善す
ることのできる個々の検知器の表面反射パラメータ（r,
ψ，δ）および光電応答因子、さらには、後検知利得
（k0,k1,k2およびk3）等最適性能達成できるように複数
の固有の自由度を付与できる。
入射面間の角度）、誘電体薄膜被覆により非常に改善す
ることのできる個々の検知器の表面反射パラメータ（r,
ψ，δ）および光電応答因子、さらには、後検知利得
（k0,k1,k2およびk3）等最適性能達成できるように複数
の固有の自由度を付与できる。
（９）本機器はオンラインマイクロコンピュータに容易
に介在させることができ、このマイクロコンピュータは
その入力としてデジタル化された出力電気信号i0，i1，
i2およびi3を受信する。マイクロコンピュータは機器行
列を記憶し、その逆数を決定し、４つのストークスパ
ラメータを計算する。その結果は適当な出力装置に表示
することができる。
に介在させることができ、このマイクロコンピュータは
その入力としてデジタル化された出力電気信号i0，i1，
i2およびi3を受信する。マイクロコンピュータは機器行
列を記憶し、その逆数を決定し、４つのストークスパ
ラメータを計算する。その結果は適当な出力装置に表示
することができる。
要約すれば、第１図の４検知器光偏光計においては、光
検知器D0，D1およびD2の表面は部分的に正反射し、D3の
表面は全て吸収する。４つの出力電気信号は入力ストー
クスベクトルを決定するために用いられる。α1はD0
およびD1からの連続反射に対する入射面間の角度であ
り、α2はD1およびD2からの反射に対する対応する角度
であり、pnはｎ番目の入射面に対して平行な反射偏光方
向である。
検知器D0，D1およびD2の表面は部分的に正反射し、D3の
表面は全て吸収する。４つの出力電気信号は入力ストー
クスベクトルを決定するために用いられる。α1はD0
およびD1からの連続反射に対する入射面間の角度であ
り、α2はD1およびD2からの反射に対する対応する角度
であり、pnはｎ番目の入射面に対して平行な反射偏光方
向である。
第２図は、光検知器D0，D1，D2およびD3の入力信号が、
まず符号20で増幅され、この信号が前述したように比例
定数knに影響を及ぼし、次いで、プロセッサー、好まし
くは、マイクロプロセッサー24に入力するためのアナロ
グーデジタルコンバータ22により等価なデジタルに変換
し、プロセッサー24において計算＝-1を行う典型
的な信号処理配置のブロックダイアグラムである。
まず符号20で増幅され、この信号が前述したように比例
定数knに影響を及ぼし、次いで、プロセッサー、好まし
くは、マイクロプロセッサー24に入力するためのアナロ
グーデジタルコンバータ22により等価なデジタルに変換
し、プロセッサー24において計算＝-1を行う典型
的な信号処理配置のブロックダイアグラムである。
これとは異なる実施態様においては、プロセッサー24は
A/D変換を処理するように設けることもできる。
A/D変換を処理するように設けることもできる。
第２図に示したように、第１図の機器は、その入力とし
てデジタル化した出力電気信号i0，i1，i2およびi3を受
信するオンーラインマイクロコンピュータ24に容易に介
在させることができる。マイクロコンピュータは、機器
行列をメモリーに記憶させ、その逆数を決定し、式
（６）を用いて４つのストークスパラメータを計算す
る。この結果は適当な出力装置26に表示することができ
る。これとは別に、-1を直接コンピュータメモリーに
記憶させることもできる。
てデジタル化した出力電気信号i0，i1，i2およびi3を受
信するオンーラインマイクロコンピュータ24に容易に介
在させることができる。マイクロコンピュータは、機器
行列をメモリーに記憶させ、その逆数を決定し、式
（６）を用いて４つのストークスパラメータを計算す
る。この結果は適当な出力装置26に表示することができ
る。これとは別に、-1を直接コンピュータメモリーに
記憶させることもできる。
４つのストークスパラメータは、光の偏光状態を記載す
るための好ましくかつ従来知られた様式ではあるが、第
１図の機器は、その他の状態の光の偏光状態を測定する
ためにも使用することができる。さらに、一旦ストーク
スパラメータが決定されると、更にその他の光特性につ
いて決定することも可能である。
るための好ましくかつ従来知られた様式ではあるが、第
１図の機器は、その他の状態の光の偏光状態を測定する
ためにも使用することができる。さらに、一旦ストーク
スパラメータが決定されると、更にその他の光特性につ
いて決定することも可能である。
光の偏光状態を測定するための光検知器の配置について
の本発明に従う幾つかの実施態様および変形例について
本明細書において記載したが、本発明の開示および教示
は、当業者にとって多くの変形設計を示唆するであろう
ことは容易に理解されるであろう。
の本発明に従う幾つかの実施態様および変形例について
本明細書において記載したが、本発明の開示および教示
は、当業者にとって多くの変形設計を示唆するであろう
ことは容易に理解されるであろう。
Claims (10)
- 【請求項１】（ａ）第１の入射面において斜めに入射す
る光線を部分的に反射する部分正反射面を有し、吸収し
た電磁線に比例した大きさの第１の電気出力信号を生ず
る第１の光検知器（D0）と、 （ｂ）前記第１の光検知器から部分的に反射されて前記
第１の入射面とは異なる第２の入射面において斜めに入
射する光線を部分的に反射する部分的正反射面を有し、
吸収した電磁線に比例した大きさの第２の電気出力信号
を生ずる第２の光検知器（D1）と、 （ｃ）前記第２の光検知器から部分的に反射されて前記
第２の入射面とは異なる第３の入射面において斜めに入
射する光線を部分的に反射する部分的正反射面を有し、
吸収した電磁線に比例した大きさの第３の電気出力信号
を生ずる第３の光検知器（D2）と、 （ｄ）前記第３の光検知器から部分的に反射された光線
を実質的に全て吸収する表面を有し、吸収した電磁線に
比例した大きさの第４の電気出力信号を生ずる第４の光
検知器（D3）と、 からなる光線の偏光状態の測定に好適な装置。 - 【請求項２】前記第１、第２、第３および第４の出力信
号を受けて、光線の偏光状態を決定する４つのストーク
スパラメータ全てを同時測定する手段を有する請求の範
囲第１項記載の光線の偏光状態の測定に好適な装置。 - 【請求項３】さらに、前記第１、第２、第３および第４
の出力信号の個々を対応するデジタル信号に変換するた
めの手段と、対応する前記デジタル信号を受信するよう
に接続され、式＝-1（式中、は４行４列の光偏
光計行列であり、は前記第１、第２、第３および第４
の出力信号からなる４行１列の信号ベクトルである。）
に従い４つのストークスパラメータの個々を測定する手
段とからなる請求の範囲第２項記載の光線の偏光状態の
測定に好適な装置。 - 【請求項４】前記計算するための手段が、その内部に記
憶された行列または-1を有するマイクロコンピュー
タからなる請求の範囲第３項記載の光線の偏光状態の測
定に好適な装置。 - 【請求項５】（ａ）光線を部分正反射面を有する第１の
光検知器に向け、第１の入射面において斜めに入射させ
て部分的に反射させ、上記第１の光検知器によってそれ
に吸収された電磁線に比例した大きさの第１の電気出力
信号を発生させる工程と、 （ｂ）前記第１の光検知器から部分的に反射された光線
を、部分的正反射面を有する第２の光検知器に向け、前
記第１の入射面とは異なる第２の入射面において斜めに
入射させて部分的に反射させ、上記第２の光検知器によ
ってそれに吸収された電磁線に比例した大きさの第２の
電気出力信号を発生させる工程と、 （ｃ）前記第２の光検知器から部分的に反射された光線
を、部分的正反射面を有する第３の光検知器に向け、前
記第２の入射面とは異なる第３の入射面において斜めに
入射させて部分的に反射させ、上記第３の光検知器によ
ってそれに吸収された電磁線に比例した大きさの第３の
電気出力信号を発生させる工程と、 （ｄ）前記第３の光検知器から部分的に反射された光線
を、実質的に全吸収型の表面を有する第４の光検知器に
向け、吸収した電磁線に比例した大きさの第４の電気出
力信号を発生させる工程と からなる光線の偏光状態を測定する方法。 - 【請求項６】前記第１、第２、第３および第４の出力信
号を用いて光線の偏光状態を決定する４つのストークス
パラメータ全てを同時測定する工程を含む請求の範囲第
５項記載の光線の偏光状態を測定するための方法。 - 【請求項７】さらに、前記第１、第２、第３および第４
の出力信号の各々を対応するデジタル信号に変換する４
行４列の光偏光行列を決定し、＝-1（式中、
は４行４列の光偏光計行列であり、は前記第１、第
２、第３および第４の出力信号からなる４行１列のベク
トルである。）に従い４つのストークスパラメータの各
々を計算する工程を有する請求の範囲第６項記載の光線
の偏光状態を測定するための方法。 - 【請求項８】前記計算工程が、マイクロコンピュータを
使用して計算＝-1を行い、前記マイクロコンピュ
ータのメモリーにまたは-1を収容する工程を含む請
求の範囲第７項記載の光線の偏光状態を測定するための
方法。 - 【請求項９】前記４行４列の光偏光計行列を決定する
工程には、４つの光検知器の配置を較正することにより
を決定する工程と、の決定のそれぞれの入力状態に
対応する信号ベクトルを記録する工程が含まれ、この較
正工程には、光偏光計を４つの線形独立な公知のストー
クスベクトルで表される４つの異なる線形独立な状態に
順次偏光される入力光で照射する工程が含まれている請
求の範囲第７項記載の光線の偏光状態を測定するための
方法。 - 【請求項１０】前記４行４列の光偏光計行列を決定す
る工程が、ミューラーの行列と回転行列とを用いて
計算され、前記ミューラーの行列が、 （式中、ｒは非偏光または円偏光入射光に対する強度反
射率であり、tanφexp（ｊδ）は複合ｐおよびｓ反射相
関係数の比である。）で与えられ、前記回転行列が、 で与えられ、行列の個々の要素amnを決定する請求の
範囲第７項記載の光線の偏光状態を測定するための方
法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US747611 | 1985-06-21 | ||
| US06/747,611 US4681450A (en) | 1985-06-21 | 1985-06-21 | Photodetector arrangement for measuring the state of polarization of light |
| PCT/US1986/001316 WO1986007631A1 (en) | 1985-06-21 | 1986-06-18 | Photodetector arrangement for measuring the state of polarization of light |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63500056A JPS63500056A (ja) | 1988-01-07 |
| JPH0778456B2 true JPH0778456B2 (ja) | 1995-08-23 |
Family
ID=25005864
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61503602A Expired - Lifetime JPH0778456B2 (ja) | 1985-06-21 | 1986-06-18 | 光の偏光状態を測定するための光検知器の配置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US4681450A (ja) |
| EP (1) | EP0233215B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0778456B2 (ja) |
| CA (1) | CA1272042C (ja) |
| DE (1) | DE3650059T2 (ja) |
| WO (1) | WO1986007631A1 (ja) |
Families Citing this family (77)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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