JPS62201328A - 偏光度測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被測定楕円偏光の偏光度および光パワーを実
時間で同時に測定する偏光度測定方法および装置に関す
る。

〔従来の技術〕

楕円偏光の偏光度を測定するためには、被測定楕円偏光
を検光子に入射させ、この検光子の主軸と一致する直線
偏光成分だけを透過させて光検出器で検出する。従来の
測定方法では、検光子の主軸を回転させ、透過した光強
度の最大値１　ｍａｘおよび最小値１　ｍｉｎを記録し
、偏光度Ｐの定義式、により求めていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、この測定方法では検光子を常に回転させ、最大
値および最小値を求める必要があり、促成時間がかかる
欠点があった。短時間で測定するために、検光子を高速
で回転させ、光強度の変化を交流信号として測定する方
法も考えられているが、検光子の光軸が振動しないよう
な回転駆動装置を製作することは困難であり、現実的と
はいえない。

本発明は、短時間で偏光度を測定できる偏光度測定方法
および装置を提供することを目的とする。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明の第一の発明は偏光度測定方法であり、被測定楕
円偏光の直線偏光成分の光強度を測定し、その光強度の
最大値■、％１Ｘと最小値１　ｍｉｎとから偏光度Ｐを Ｐ＝（Ｉ　　□８　−　■　、五、、）／　（１、Ｊａ
Ｘ　　＋　Ｉ　　ｍｉ。）なる偏光度定義式により求め
る偏光度測定方法において、互いに異なる偏光角度θ８
、θ２、θ３の直線偏光成分についてそれぞれその光強
度Ｉ８．１２、Ｉ３を測定し、これらの値を １　＋　＝　Ｉ　ｍａ、ＩＣＯ３”　（□−φ−θＩ）
＋　Ｉ　　ｍｉｎ　　ＣＯ３２（ψ　＋　θ　１　　）
１２　＝　１．、、　ｃｏｓ”　（□−φ−０２）＋　
１）１）１＋％　ｃｏｓ２（φ＋０２）＋　２　＝　ｔ
　ｍａ、１ＣＱＳ”　（□−ψ−θ、）＋Ｉ　ｗｉｎ　
ＣＯ５２（φ＋θ３　）（ただしφは被測定楕円偏光の
傾きにより定まる定数） に代入して連立方程式を解くことにより最大値■、％１
Ｘおよび最小値１７．７を求め、これらの最大値１□８
および最小値１　ｍ＋。を上記偏光度定義式に代入して
被測定楕円偏光の偏光度を求めることを特徴とする。

偏光角度θ１、θ２、θ、は、任意に設定可能な一定の
角度θ。に対してそれぞれ、 θ１＝θ０、 θ２＝θ。＋π／４、 θ３＝θ０＋π／２ であり、偏光度Ｐを ＩＩ　＋１３ の演算により求めることが望ましい。

本発明の第二の発明は上記の方法を利用する装置であり
、被測定楕円偏光を第一および第二の光路に分岐する第
一段階の分岐手段と、上記第一の光路上に配置され、互
いに異なる偏光角度θ５、θ３の二つの直線偏光成分に
分岐する第二段階の分岐手段と、上記第一の光路上に配
置され、上記偏光角度θ１、θ３と異なる偏光角度θ２
の直線偏光成分を透過させる検光子と、上記第二段階の
分岐手段により分岐された直線偏光成分および上記検光
子を透過した直線偏光成分の光強度をそれぞれ測定する
測定手段と、これらの検出器の出力電気信号から被測定
楕円偏光の偏光度を演算する演算手段とを備えたことを
特徴とする。

第二段階の分岐手段は、第一の光路をさらに二つの光路
に分岐する半透鏡と、この半透鏡により分岐される光路
上にそれぞれ配置された検光子とを含むか、または、偏
光角度が直交する二つの直線偏光成分に分岐する光分岐
素子を含む。

光分岐素子を用いた場合には、第一段階の分岐手段を光
分岐素子の表面に設けることができる。

また、第一段階の分岐手段として、一定の周波数で振動
する振動子を用いて反射板を構成し、被測定楕円偏光を
時分割で反射または通過させることもできる。

〔作　用〕

本発明の偏光度測定方法は、三つの異なる偏光角度で直
線偏光成分の光強度を測定し、この結果を光強度の式に
代入して光強度の最大値および最小値を求める。さらに
、これらの最大値および最小値を用いて、偏光度定義式
により偏光度を求める。

上述の光強度の式には三つの未知定数が含まれ、二連連
立方程式によりこれらの未知定数をすべて求めることが
できるが、本発明では角度φについて求める必要はない
。

光強度を測定するための偏光角度を適切な値に設定する
ことにより、計算が容易になる。

本発明の偏光度測定装置は、上述の測定方法を実施する
装置である。

分岐手段としては半透鏡が一般的であるが、直交する二
つの直線偏光に分岐する素子を用いて、半透鏡と二つの
検光子の役割を一つの素子で実現することもできる。さ
らに、この素子の表面に皮膜を設け、またはその他の表
面処理を行うことにより、一つの素子で、光路を三つに
分岐するとともに、二つの光路について直線偏光成分を
取り出すことができる。

また、反射板により被測定楕円偏光を時分割で反射また
は通過させて光路を分岐させる場合には、半透鏡を用い
た場合に生じる反射率の偏光依存性による測定誤差の問
題を解決することができる。

〔実施例〕

第１図は本発明第一実施例偏光度測定装置のブロック構
成図である。

被測定楕円偏光Ｓ０の光路上には半透鏡１ａが配置され
、この被測定楕円偏波光Ｓ０を第一の光路（透過光）と
第二の光路（反射光）とに分岐する。

第一の光路上には半透鏡１ｂが配置され、この光路上の
楕円偏光を第三の光路に分岐する。第一、第二および第
三の光路上にはそれぞれ検光子２ａ、２ｂ、２ｃが配置
され、それぞれ直線偏光成分Ｓｔ、Ｓｚ、Ｓ３を分離し
、光検出器３ａ、３ｂ、３ｃに供給する。

光検出器３ａ、３ｂおよび３ｃは電気信号処理装置４に
接続される。電気信号処理装置４は演算処理装置５に接
続される。

検光子２ａ、２ｂおよび２ｃの主軸は、それぞれ異なる
角度θ５、θ２、θ、に設定されている。主軸の角度と
して、互いにπだけ異なる角度は実質的に同じなので、
ここでは、 ０≦０１、θ２、θ３くπ とする。

光検出器３ａ、３ｂおよび３Ｃは、それぞれ入射した直
線偏光成分Ｓｌ、Ｓ２、Ｓ３の光強度に対応した電気信
号Ｖ＋　、Ｖｚ　、Ｖｓを出力し、これらを電気信号処
理装置４に供給する。電気信号処理装置４は、被測定楕
円偏光Ｓ。が各光検出器３ａ、３ｂおよび３ｃに入射す
るまでの過程で受ける損失の補正、および各光検出器３
ａ、３ｂおよび３ｃの感度のばらつきの補正を行い、デ
ィジタル信号に変換して出力する。演算処理装置５は、
このディジタル１３号を取り込み、偏光度Ｐ、消光比Ｅ
および光パワーＰ、を算出する。

偏光度Ｐ、消光比Ｅおよび光パワーＰ。の算出方法につ
いて、第２図および第３図を参照して説明する。

第２図は偏光度Ｐの測定方法の原理を示す図である。こ
の図では、被測定楕円偏光Ｓ。の進行方向に直交するｘ
、ｙ平面を定義し、この平面における被測定楕円偏光Ｓ
。の電界の振動成分の軌跡、すなわち参照面跡を示す。

説明のため直線偏光成分の角度に対応する光強度を併記
したが、光強度は電界強度の自乗に比例する量であり、
楕円上の点の値を示すものではない。

被測定楕円偏光Ｓ。の偏光度Ｐは、その直線偏光成分の
光強度の最大値１）□８および最小値１．８７から、 と定義される。また、消光比Ｅは、 で定義され、偏光度Ｐを用いて、 と表される。

本発明では、これら最大値１　ｎａｘおよび最小値１）
、、を測定するのではなく、これらを未知数として取り
扱う。

第２図に示すように、被測定楕円偏光Ｓ０の参照面跡が
楕円を示し、その長軸がｙ軸から角度φたけＸ軸の方向
に傾いているとする。このとき、直線偏光成分の光強度
は長袖方向で最大値Ｔ　ｍｍｘ、短軸方向で最小値１　
ｎｉ、となり、偏光角度０における直線偏光成分の光強
度１は、最大値ｌイ、Ｘ、最小値１．。および角度φの
関数として、１　＝Ｉ　ｍｍｘ　ＣＯ３２（□−φ−θ
）”　Ｉ　ｍｔｎ　ＣＯ３”　（ψ＋θ）””　Ｉ　ｍ
ａｘ　５ｊｎ２（φ＋θ）　＋Ｉ　ｍｒｎ　ＣｏＳ”（
φ＋θ）・−・・−（４１ で表される。

（４）式において、最大値ＩｆｆｉａＭ、最小値１）．
７および角度φが未知数である。したがって、これらの
値を一義的に定めるには、三つの異なる偏°光角度につ
いてその直線偏光成分の光強度を測定すればよい。そこ
で、Ｘ軸に対して互いに異なる偏光角度θ１、θ２、θ
３について直線偏光成分の光強度ＩＩ、Ｉ２、Ｉ３を測
定する。第２図では、これらの三つの直線偏光成分の軸
をａｌ　、ａｔおよびａ、で示す。ここで、偏光角度θ
と偏光角度θ＋πとでは直線偏光成分は同じ値になるの
で、０≦θ１、θ２、θ３〈π とする。偏光角度θ１、θ２、θ３およ・び光強度１）
、Ｉ２、Ｉ３を（２）弐に代入して、なる連立方程式が
得られる。これらの弐から最大値１）３、および最小値
Ｉ０、７を求め、その値を（１）式に代入することによ
り偏光度Ｐを求めることができ、（２）式に代入するこ
とにより消光比Ｅが得られる。

ここで、偏光角度θ１、Ｃ２およびθ、を任意に選択す
ると、（５）式の連立方程式を計算機を用いて数値計算
により求めることになる。この場合には、数値計算のた
めのプログラムが必要となり、数百ミリ秒の計算時間を
要する。これに対して、偏光角度θ１、Ｃ２およびＣ３
を適切な値に選択すると、計算がきわめて簡単になり、
より速く測定結果が得られる。

第３図は偏光角度θ１．０□およびＣ３を適切な値に設
定した例を示す。この例では、任意に選択可能な角度θ
。を定義し、 Ｃ１＝θ０ Ｃ２＝θ。＋π／４ Ｃ３＝θ０＋π／２ と選択する。このように偏光角度θ３、Ｃ２、Ｃ３をπ
／４ずつ異なる角度に設定した場合には、（５）式の連
立方程式が簡略化され、 となる。この連立方程式により偏光度Ｐが、１）＋＋３ 一−−−−・・（７） の計算式により得られ、この偏光度Ｐの値から（３）弐
により消光比Ｅが得られる。したがって、偏光角度θ１
、Ｃ２およびθ、を任意に選択した場合に比べて高速に
演算を行うことができる。

次に、被測定楕円偏光Ｓ０の光パワーＰ。を測定する方
法について説明する。

光パワーＰｏは、被測定楕円偏光Ｓ。の光強度Ｉ　ｍａ
ｙ　、ｌｍ１ｎを用いて、 Ｐ　ｏ　＝　Ｉ　ＩＩａｘ−ＩＩ　ｍｉｎ　　　　　　
　−−−−１８）と表される。ここで、 Ｃ１＝θｏ　１　Ｃ３−Ｃ０＋π／２ とすると、偏光角度θＩ、Ｃ３における直線偏光成分の
光強度１）．＋３は、それぞれ、！　＋　−Ｋｏ　（Ｉ
　ｍａｘ　Ｓｉｎ”　（φ十〇。）＋ｌ　＋、１ｉｎ　
ｃｏｓｚ（φ＋θｏ）　ｌ　　　−＋９＋Ｉ　ｓ　−Ｋ
ｏ　（Ｉ　ＩＩａｘ　ＣＯ３２（φ十〇。）＋　ｌ　ｍ
ｉｎ　５ｊｎｚ（φ＋θｏ）　）・−・（Ｉｏｌと表す
ことができる。ここでＫ。は、被測定楕円偏光Ｓ。の分
岐時における光パワーの配分により決定される定数であ
る。

検出された光強度１．、＋１の和を計算すると、ＩＩ　
　＋ｌ。

＝　　Ｋ　ｏ　（ｌ　ｍａＸｓｉｎ”　（φ十〇。）十
１）．。ｃｏｓ”　（φ＋θ。）） ＋　Ｋ　ｏ　（Ｉ　ｍａｘ　Ｃ０９２（φ十〇。）＋　
Ｉ　ｆｆ１ｉｎ　５ｊｎ２（φ十〇。））−Ｋ。（１，
つ”Ｉｍｉ。）　　　・・−・・・０υとなる。したが
って、被測定楕円偏光Ｓ０の光パワーＰａは、（９）式
および（１０式より、Ｐｏ＝Ｋ（１，４［：ｌ）、Ｋ＝
１／ＫＯ−ＣＩ２）として得られる。

第４図は本発明第二実施例偏光度測定装置のブロック構
成図を示す。

本実施例は、半透鏡１ｂおよび検光子２ａ、２ｂの代わ
りに光分岐素子６を用いたものであり、他の構成は第一
実施例と同じである。ただし、第４図では電気信号処理
装置４および演算処理装置５を省略している。

光分岐素子６は、半透鏡１ａ；ｔ−透過した被測定楕円
偏光を直交した二つの直線偏光成分に分岐する。

これに対応して、検光子２ｂの偏光角度を上記二つの直
線偏光成分の偏光角度に対してそれぞれｎ／１）だけず
らして設定しておく。

光分岐素子６として、ロッションプリズム、オーラスト
ンプリズム、方向性結合素子等を用いることが可能であ
る。

第５図は本発明第三実施例偏光度測定装置のブロック構
成図を示す。

本実施例は、第二実施例の半透鏡１ａの代わりに、光分
岐素子６の入射端面に反射分岐するための皮膜７を設け
、被測定楕円偏光Ｓ、を三つの光路に分岐している。こ
こで、光分岐素子６は、第二実施例の半透鏡ｂＪと同様
に、被測定楕円偏光ｓ０の光路に対して少し傾いて配置
されている。

本実施例では皮膜７を用いたが、光分岐素子６の表面に
半透鏡を形成できるものであれば、どのような表面処理
を用いてもよい。

以上の実施例では、第一段階の分岐手段として半透鏡１
ａまたは皮膜７を使用した例を示したが、これらは偏光
依存性の無いことが重要である。そのため、半ａ　ＳＲ
１ａまたは皮膜７への入射角（半透ｔｎ　１　ａまたは
皮膜７の法線と光軸のなす角）ψを小さくして、偏光依
存性をできるだけ小さくする必要がある。しかし、光路
を二つに分岐するには有限の角度が必要であり、入射角
を小さくするほど光学的距離を延長しなければならず、
装置形状が大きくなる。

第６図は半透鏡の反射率の偏光依存性を示す。

、電輪は反射率比γを示し、横軸は入射角ψを示す。

ここで反射率比γとは、半透鏡の面に対し垂直な偏光の
反射率をＲｖ、平行な偏光の反射率をＲｈとしたときの
両者の比により、 ｒ　＝１０　ｌｏｇ　（Ｒｈ　／　Ｒｖ　）　　　（ｄ
Ｂ）で定義される値である。また、入射角ψがＯｏのと
きの半透鏡の反射率はＲ６−５０％である。

第６図に示したように、入射角ψが７６程度のとき反射
率比率比γは約０．０４ｄＢとなり、この値は消光比Ｅ
で１０２に相当する。実際の装置構成では最低でも７°
程度の角度設定が必要であり、上述の実施例装置では被
測定楕円偏光Ｓ。が円偏光に近い場合には利用できるが
、直線偏光に近くなるにつれて誤差が大きくなる。この
ような問題点を解決する実施例を以下に説明する。

第７図は本発明第四実施例偏光度測定装置の構成を示す
。

本実施例は、第二実施例における半透鏡１ａの代わりに
反射板８を用い、さらに、反射板８への入射光路上、反
射板８から検光子２ｂへの光路上および反射板８から光
°分岐素子６への光路上には、それぞれレンズ９ａ、　
９ｂおよび９ｃが配置される。

反射板８は、一定の周波数で振動する振動子により構成
され、被測定楕円偏光Ｓ。を時分割に反射または通過さ
せる。反射板８の表面は鏡面に仕上げられており、被測
定楕円偏光Ｓ。を全反射するため、入射角ψのすべての
値に対して偏光依存性はない。したがって、偏光度およ
び光強度が被測定楕円偏光Ｓ０と等しい二つの断続光を
作り出すことができる。

三つのレンズ９ａ、９ｂおよび９ｃは、被測定楕円偏光
Ｓ。を小さなビームに収光し、反射板８による断続を効
果的に行うためのものである。これらのレンズ９ａ、９
ｂおよび９ｃを用いることにより、反射板８の振動振幅
を小さくすることができ、反射板８を小型化することが
できる。

反射板８により反射された断続光および反射されなかっ
たＩｔｌｉ続光は、第二実施例と同様にしてそれぞれ偏
光角度がπ／２ずつ異なる三つの直線偏光成分Ｓ＋　、
Ｓ２　、Ｓ３に分離され、その光強度１＋　、Ｉｚ、１
３が光検出器３ａ、３ｂ、３ｃにより電気信号ｖ１、ｖ
２、■３に変換され、電気信号処理装置に供給される。

ただし、第７図では電気信号処理装置およびこれに接続
される演算処理装置については図示していない。

また、図示していないが反射板８には反射板駆動源が接
続されており、この反射板駆動源から、反射板８の振動
に同期した同期信号が電気信号処理装置４に供給される
。したがって、電気信号処理装置４では、同期検波によ
り高感度に電気信号■１、■２、■、を検出できる。電
気信号処理装置および演算処理装置のその他の機能は上
述の実施例と同等である。

本実施例は、反射板８の全反射を利用しているため、光
学系の配置が容易であり、装置を小型化することができ
る。また、低レベルの被測定楕円偏光でも測定可能であ
る。さらに、偏光依存性のない全反射により被測定楕円
偏光を分岐しているため、被測定楕円偏光が直線偏光に
きわめて近い場合でも精度よく測定できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の偏光度測定方法および装
置は、検光子を回転させる必要がなく、三つの偏光角度
の直線偏光成分を同時に検出することができ、この結果
により偏光度、消光比および光パワーを計算により求め
る。このため、非常に高速の測定が可能となる。

したがって本発明は、光源と光回路との結合や偏波保持
光ファイバの接続等、偏光度および光パワーを促成しな
がら行う作業の効率を高める効果がある。また、検光子
を固定しているので、光回路の集積化により、非常に小
型の偏光度測定装置を実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例偏光度測定装置のブロック構
成図。 第２図は偏光度測定方法の原理を示す図。 第３図は測定角度の設定例を示す図。 第４図は本発明第二実施例偏光度測定装置のブロック構
成図。 第５図は本発明第三実施例偏光度測定装置のブロック構
成図。 第６図は半透鏡による反射率の偏光依存性を示す図。 第７図は本発明第四実施例偏光度測定装置のブロック構
成図。 １ａ、１ｂ・・・半透鏡、２ａ、２ｂ、２ｃ・・・検光
子、３ａ、３ｂ、３ｃ・・・光検出器、４・・・電気信
号処理装置、５・・・演算処理装置、６・・・光分岐素
子、７・・・皮膜、８・・・反射板、９ａ、　９ｂ、　
９ｃ・・・レンズ。 特許出願人　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　井　出　直　孝 第６図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定楕円偏光の直線偏光成分の光強度を測定し
   、 その光強度の最大値Ｉ＿ｍ＿ａ＿ｘと最小値Ｉ＿ｍ＿ｉ
   ＿ｎとから偏光度Ｐを Ｐ＝（Ｉ＿ｍ＿ａ＿ｘ−Ｉ＿ｍ＿ｉ＿ｎ）／（Ｉ＿ｍ＿
   ａ＿ｘ＋Ｉ＿ｍ＿ｉ＿ｎ）なる偏光度定義式により求め
   る 偏光度測定方法において、 互いに異なる偏光角度θ＿１、θ＿２、θ＿３の直線偏
   光成分についてそれぞれその光強度Ｉ＿１、Ｉ＿２、Ｉ
   ＿３を測定し、 これらの値を Ｉ＿１＝Ｉ＿ｍ＿ａ＿ｘｃｏｓ＾２（π／２−φ−θ＿
   １）＋Ｉ＿ｍ＿ｉ＿ｎｃｏｓ＾２（φ＋θ＿１）Ｉ＿２
   ＝Ｉ＿ｍ＿ａ＿ｘｃｏｓ＾２（π／２−φ−θ＿２）＋
   Ｉ＿ｍ＿ｉ＿ｎｃｏｓ＾２（φ＋θ＿２）Ｉ＿３＝Ｉ＿
   ｍ＿ａ＿ｘｃｏｓ＾２（π／２−φ−θ＿３）＋Ｉ＿ｍ
   ＿ｉ＿ｎｃｏｓ＾２（φ＋θ＿３）（ただしφは被測定
   楕円偏光の傾きにより 定まる定数） に代入して連立方程式を解くことにより最大値Ｉ＿ｍ＿
   ａ＿ｘおよび最小値Ｉ＿ｍ＿ｉ＿ｎを求め、 これらの最大値Ｉ＿ｍ＿ａ＿ｘおよび最小値Ｉ＿ｍ＿ｉ
   ＿ｎを上記偏光度定義式に代入して被測定楕円偏光の偏
   光度を求める ことを特徴とする偏光度測定方法。
2. （２）偏光角度θ＿１、θ＿２、θ＿３は、任意に設定
   可能な一定の角度θ＿０に対してそれぞれ、 θ＿１＝θ＿０、 θ＿２＝θ＿０＋π／４、 θ＿３＝θ＿０＋π／２ であり、 偏光度Ｐを Ｐ＝√［（Ｉ＿１−Ｉ＿３）＾２＋（Ｉ＿１＋Ｉ＿３−
   ２Ｉ＿２）＾２］／（Ｉ＿１＋Ｉ＿３）の演算により求
   める 特許請求の範囲第（１）項に記載の偏光度測定方法。
3. （３）被測定楕円偏光を第一および第二の光路に分岐す
   る第一段階の分岐手段と、 上記第一の光路上に配置され、互いに異なる偏光角度θ
   ＿１、θ＿３の二つの直線偏光成分に分岐する第二段階
   の分岐手段と、 上記第一の光路上に配置され、上記偏光角度θ＿１、θ
   ＿３と異なる偏光角度θ＿２の直線偏光成分を透過させ
   る検光子と、 上記第二段階の分岐手段により分岐された直線偏光成分
   および上記検光子を透過した直線偏光成分の光強度をそ
   れぞれ測定する測定手段と、これらの検出器の出力電気
   信号から被測定楕円偏光の偏光度を演算する演算手段と を備えた偏光度測定装置。
4. （４）第二段階の分岐手段は、 第一の光路をさらに二つの光路に分岐する半透鏡と、 この半透鏡により分岐される光路上にそれぞれ配置され
   た検光子と を含む 特許請求の範囲第（３）項に記載の偏光度測定装置。
5. （５）第二段階の分岐手段は、偏光角度が直交する二つ
   の直線偏光成分に分岐する光分岐素子を含む特許請求の
   範囲第（３）項に記載の偏光度測定装置。
6. （６）第一段階の分岐手段は光分岐素子の表面に設けら
   れた特許請求の範囲第（５）項に記載の偏光度測定装置
   。
7. （７）第一段階の分岐手段は、被測定楕円偏光を時分割
   で反射または通過させる反射板を含む特許請求の範囲第
   （３）項に記載の偏光度測定装置。