JP7045663B2 - 複屈折測定装置および複屈折測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、複屈折媒体の複屈折を測定する複屈折測定装置および複屈折測定方法、並びにこれらを利用したフィルム検査装置およびフィルム検査方法に関する。

複屈折媒体の複屈折を測定する手法としては、クロスニコル法がよく知られている。この手法では、互いに直交した偏光子および検光子と、これらの間に配置された測定対象物としての複屈折媒体とを相対的に回転させながら、偏光子、測定対象物および検光子を透過した光の強度Ｉ_out(θ)を測定し、次式により測定対象物の複屈折Δｎを求める。

ここで、Ｉ_inは偏光子側から入射する光の強度、θは測定対象物の相対的な回転角度、ｄは測定対象物の厚みである。また、複屈折Δｎと厚みｄの積によって示されるΔｎｄは、波長λの光が測定対象物を通過する際に異常光成分と常光成分の間に生じる光路差であり、この光路差によって複屈折媒体を透過することによる位相差δ(以下、単に「位相差」という)が生じる。

このように、厚みｄの測定対象物を通過した光の位相差δから複屈折Δｎが導出されるため、複屈折測定は位相差測定と同義的であり、複屈折位相差測定と称される場合もある。

しかしながら、この手法は、偏光子および検光子と測定対象物とを相対的に少なくとも１８０［°］回転させる必要があるので、測定に時間がかかることと、大がかりな回転機構が必要になることが問題となっていた。そこで、偏光子によって円偏光を作り出し、測定対象物に入射することで、末端の検光子だけを回転させる回転検光子法が提案されたが、依然として回転機構が必要なままであった。

この問題を解消するべく、回転機構を不要とした手法も種々提案されている。例えば、特許文献１では、測定対象物２０に偏光Ｌ１０を照射する手段と、測定対象物２０を透過した偏光Ｌ１１を３つに分割するビームスプリッタ１０１，１０２と、３つに分割された偏光Ｌ１１の特定方向に振動する成分を通過させる検光子１０３，１０４，１０５と、各検光子１０３，１０４，１０５を透過した光の強度を測定する受光器１０６，１０７，１０８と、各受光器１０６，１０７，１０８で得られた結果から偏光Ｌ１１の楕円軌道を求めるコンピュータ等の演算装置１０９とを備えた複屈折測定装置１００が提案されている（図１１参照）。この複屈折測定装置１００では、検光子１０３と１０４の角度が４５［°］相違し、かつ検光子１０３と１０５の角度が９０［°］相違している。

複屈折測定装置１００によれば、偏光Ｌ１０の既知の偏光状態と演算装置１０９で求めた偏光Ｌ１１の偏光状態との関係から、測定対象物２０の複屈折Δｎを求めることができる。

また、特許文献２では、既知の偏光状態をもつ光束（例えば、円偏光Ｌ２０）を測定対象物２０に照射し、透過光Ｌ２１の偏光状態を偏光子アレイ２０１およびエリアセンサ２０２（例えば、ＣＭＯＳカメラ）で検出する複屈折測定装置２００が提案されている（図１２参照）。同図（Ｂ）に示すように、偏光子アレイ２０１は、ＸＹ方向において連続した複数の偏光子ユニット２０３からなり、各偏光子ユニット２０３は、互いに透過軸の方位が異なる４×４＝１６個の偏光子からなる。

複屈折測定装置２００では、偏光子アレイ２０１が複屈折測定装置１００における検光子１０３，１０４，１０５の役割を果たし、エリアセンサ２０２が受光器１０６，１０７，１０８の役割を果たす。また、複屈折測定装置２００では、複屈折測定装置１００におけるビームスプリッタ１０１，１０２が不要である。したがって、複屈折測定装置２００によれば、複屈折測定装置１００よりもシンプルな構成で測定対象物２０の複屈折Δｎの二次元分布を測定することができる。

しかしながら、上記従来の複屈折測定装置１００，２００は、それぞれ次のような問題を抱えていた。

すなわち、複屈折測定装置１００は、演算装置１０９において２段階の計算処理（受光器１０６、１０７、１０８の受光強度に基づいて楕円関数による楕円率の計算および位相差δと複屈折Δｎの計算）を行うので、高性能な演算装置１０９を用意しても数秒から数十秒の処理時間を要していたのが実態で、そのため、刻一刻と変化する測定対象物２０（または、運動している測定対象物２０）の複屈折Δｎをリアルタイムに測定するのは困難であった。また、測定対象物２０のある程度広い領域の複屈折Δｎの二次元分布、言い換えると測定対象物２０により生じる位相差δの二次元分布を測定する場合、複屈折測定装置１００では、受光器１０６、１０７、１０８で得られる光強度分布を、互いに正確に位置合わせをした後に演算装置１０９にて位相差δを求める必要があるため、装置の大型・複雑化が避けられなかった。

また、複屈折測定装置２００は、偏光子ユニット２０３を構成する個々の偏光子によってではなく、偏光子ユニット２０３全体によって透過光Ｌ２１の偏光状態を測定するため、個々の偏光子に対応する測定対象物２０の微小領域の複屈折Δｎをミクロ測定することができなかった。言い換えると、複屈折測定装置２００は、複屈折Δｎの二次元分布の詳細な測定に不向きであった。

これらの問題をまとめて解消するために、本願発明者らは、図１３に示す複屈折測定装置３００を開発した（特許文献３参照）。同図に示すように、複屈折測定装置３００は、光束Ｌ３０を生成する光束生成手段（レーザ光源３０１）と、光束Ｌ３０を予め定められた偏光状態にして測定対象物２０に照射する光束照射手段（偏光子３０２、ビームエキスパンダ３０３、１／４波長板３０４）と、測定対象物２０を透過した光束Ｌ３２を結像させる結像光学系３０５と、結像光学系３０５の途中に配置された偏光回折格子３０６と、結像光学系３０５により結像された像の明暗に関する明暗信号を生成する撮像手段（ＣＭＯＳカメラ３０７）と、明暗信号に基づいて求めた、測定対象物２０を透過したことにより生じた、測定対象物２０を透過した光束Ｌ３２における位相差δに関する情報を出力する出力手段（ディスプレイ３０８）を備えている。そして、撮像手段３０７は、偏光回折格子３０６が生じさせた複数の回折光Ｌ３３，Ｌ３４，Ｌ３５のうちの少なくとも１つ（例えば、－１次回折光Ｌ３５）の像の明暗信号を生成するよう構成されている。

例えば、－１次回折光Ｌ３５は、測定対象物２０を透過した光束Ｌ３２が時計回りの円偏光であるときに最も暗く、光束Ｌ３２が反時計回りの円偏光であるときに最も明るくなる。この場合、＋１次回折光Ｌ３４は、光束Ｌ３２が時計回りの円偏光であるときに最も明るく、光束Ｌ３２が反時計回りの円偏光であるときに最も暗くなる。したがって、複屈折測定装置３００によれば、撮像手段３０７によって生成された明暗信号が示す光束Ｌ３２の偏光状態と、測定対象物２０に照射された光束Ｌ３１の既知の偏光状態との関係に基づいて、測定対象物２０を透過する際に生じる位相差δ、ひいては測定対象物２０の複屈折Δｎの二次元分布を測定することができる。また、複屈折測定装置３００によれば、複屈折測定装置１００のような複雑な演算が必要とされないので、刻一刻と変化する複屈折Δｎをリアルタイムに測定することができる。

特開２００６－７１４５８号公報 特開２００７－２６３５９３号公報 国際公開第２０１６／０３１５６７号

このように、本願発明者らが開発した複屈折測定装置３００によれば、複屈折測定装置１００，２００が抱えている種々の問題を解消することができる。しかしながら、複屈折測定装置３００は、リレーレンズからなる結像光学系３０５（例えば、４ｆ光学系）を使用しているため、
［第１の問題］符号ｆで示された距離が少しでもずれると合焦しなくなる、
［第２の問題］倍率の変更が非常に困難である、
［第３の問題］光束生成手段として、レーザ光のような発散しない光束を出力し得る高価な光源、または平行光を出力し得る特殊な光源を使用しなければならない、
といった点が問題となっていた。なお、第２の問題に関しては、リレーレンズの組み合わせを変更するとともに、第１の問題に留意しながら撮像手段３０７の位置を変更すればよいが、倍率を変更する度にこのような作業を行うのは極めて実用上の利便性は乏しい。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、合焦および倍率の変更が容易で、しかも、光束生成手段として安価かつ一般的な光源を使用することができる複屈折測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る複屈折測定装置は、予め定められた円偏光状態の光束を測定対象物に照射する光束照射部と、測定対象物を透過した光束、または測定対象物から反射した光束から複数の回折光を生じさせる偏光回折格子と、複数の回折光のうちの少なくとも１つを結像させるカメラレンズと、カメラレンズによって結像された像の明暗に関する明暗信号を生成する撮像部と、測定対象物を透過したことにより生じた、測定対象物を透過した光束における位相差を明暗信号に基づいて算出する位相差算出部と、位相差算出部によって算出された位相差に関する情報を出力する出力部を備えたことを特徴とする。

上記複屈折測定装置は、撮像部が、カメラレンズによって結像された＋１次回折光の像および－１次回折光の像の一方または両方の明暗信号を生成し、位相差算出部が、生成された全ての明暗信号に基づいて位相差を算出するよう構成されていてもよい。

あるいは、上記複屈折測定装置は、撮像部が、カメラレンズによって結像された＋１次回折光の像および－１次回折光の像の両方の明暗信号を生成し、位相差算出部が、＋１次回折光の明暗信号および－１次回折光の明暗信号の一方または両方に基づいて位相差を算出するよう構成されていてもよい。

上記複屈折測定装置は、カメラレンズとしてＣＣＴＶレンズ、マクロレンズまたは広角レンズを使用することができる。この場合は、偏光回折格子、カメラレンズおよび撮像部からなる撮像系と測定対象物との距離が調整可能となっていることが好ましい。

あるいは、上記複屈折測定装置は、カメラレンズとしてズームレンズを使用することもできる。この場合は、偏光回折格子、カメラレンズおよび撮像部からなる撮像系と測定対象物との距離が調整可能となっている必要はない。

上記複屈折測定装置は、光束照射部の内部に、または測定対象物と偏光回折格子との間に配置された波長フィルターをさらに備えていてもよい。

上記波長フィルターは、透過させる波長帯が互いに異なり、かつ択一的に使用されるｎ個（ただし、ｎは２以上、好ましくは３以上の整数）の波長フィルターを含んでいてもよい。この場合、位相差算出部は、ｎ個の波長フィルターのそれぞれが使用されているときの明暗信号に基づいて位相差を算出するよう構成されていてもよい。

上記光束照射部の具体的な構成としては、ＬＥＤ光源と、ＬＥＤ光源が出射した光束に作用するように配置された直線偏光子と、直線偏光子を透過した光束に作用するように配置された１／４波長板とを含んだ構成が考えられる。この場合、波長フィルターは、ＬＥＤ光源と直線偏光子との間に配置されていることが好ましい。

上記複屈折測定装置は、測定対象物に入射する光束を偏光回折格子の格子単位に平行なライン状に規制するアイリス部をさらに備えていてもよい。

上記記複屈折測定装置は、測定対象物としてのフィルムの複屈折に関する異常を検査するフィルム検査装置として使用することができる。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る複屈折測定方法は、予め定められた円偏光状態の光束を測定対象物に照射する光束照射工程と、測定対象物を透過した光束、または測定対象物から反射した光束から複数の回折光を生じさせる偏光回折工程と、複数の回折光のうちの少なくとも１つをカメラレンズで結像させる結像工程と、カメラレンズで結像された像の明暗に関する明暗信号を生成する信号生成工程と、測定対象物を透過したことにより生じた、測定対象物を透過した光束における位相差を明暗信号に基づいて算出する位相差算出工程と、算出した位相差に関する情報を出力する出力工程を備えたことを特徴とする。

上記記複屈折測定方法は、測定対象物としてのフィルムの複屈折に関する異常を検査するフィルム検査方法として使用することができる。

本発明によれば、合焦および倍率の変更が容易で、しかも、光束生成手段として安価かつ一般的な光源を使用することができる複屈折測定装置を提供することができる。

本発明の第１実施例に係る複屈折測定装置のブロック図である。 第１実施例における偏光回折格子の模式的な平面図である。 第１実施例における偏光回折格子が生じさせた±１次回折光の回折効率と偏光回折格子に入射した透過光における位相差との関係を示すグラフである。 測定例１，２で使用した測定対象物の拡大写真である。 測定例１で測定された位相差の二次元分布である。 本発明の第２実施例に係る複屈折測定装置のブロック図である。 測定例２で得られた±１次回折光の像である。 本発明の第３実施例に係る複屈折測定装置のブロック図である。 本発明の第４実施例に係る複屈折測定装置のブロック図である。 第４実施例に係る複屈折測定装置の模式的な斜視図である。 従来の複屈折測定装置のブロック図である。 従来の別の複屈折測定装置の概略的な構成を示す図である。 従来のさらに別の複屈折測定装置のブロック図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る複屈折測定装置および複屈折測定方法の実施例について説明する。

［第１実施例］
図１に、本発明の第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａを示す。同図に示すように、複屈折測定装置１Ａは、予め定められた円偏光状態の光束（本実施例では、反時計回りの円偏光Ｌ４）を測定対象物２０に照射する光束照射部２と、円偏光Ｌ４を絞るアイリス部４と、測定対象物２０を透過した光束（以下、単に「透過光」という）Ｌ５から複数の回折光Ｌ６，Ｌ６ｐ，Ｌ６ｎを生じさせる偏光回折格子９と、回折光Ｌ６，Ｌ６ｐ，Ｌ６ｎのうちの少なくとも１つ（本実施例では、全部）を結像させるカメラレンズ１０と、カメラレンズ１０によって結像された像の明暗に関する明暗信号を生成する撮像部１１Ａと、生成された明暗信号に基づいて、透過光Ｌ５における位相差δ（より詳しくは、測定対象物２０を透過することにより生じた、円偏光Ｌ４を基準とした位相差δ）を算出する位相差算出部１２Ａと、算出された位相差δに関する情報を出力する出力部１３とを備えている。

これらのうち、偏光回折格子９、カメラレンズ１０および撮像部１１Ａは、撮像系３を構成する。本実施例では、撮像系３と測定対象物２０との間の距離が調整可能となっている。なお、偏光回折格子９、カメラレンズ１０および撮像部１１Ａの位置関係は不変である。

光束照射部２は、白色光Ｌ１を出射する白色ＬＥＤ光源５と、白色光Ｌ１の予め定められた波長帯に含まれる成分のみを選択的に透過させる波長フィルター６と、選択波長光Ｌ２から直線偏光Ｌ３を作り出す直線偏光子７と、直線偏光Ｌ３から反時計回りの円偏光Ｌ４を作り出す１／４波長板８とを備える。１／４波長板８から出射された円偏光Ｌ４は、アイリス部４によって絞られた後、測定対象物２０に入射する。なお、本実施例では、選択波長光Ｌ２のピーク波長は５３２［ｎｍ］であるが、これは単なる一例である。

偏光回折格子９が生じさせる回折光Ｌ６は、透過光Ｌ５に対応する０次回折光である。同様に、回折光Ｌ６ｐは＋１次回折光であり、回折光Ｌ６ｎは－１次回折光である。なお、偏光回折格子９は、±２次以上の高次回折光も生じさせるが、本実施例ではこれらを利用することはない。

本発明では、カメラレンズ１０として、用途に応じた様々なカメラレンズを使用することができる。本実施例では、カメラレンズ１０として、撮影可能範囲が０．２［ｍ］～∞［ｍ］で、固定焦点を有する株式会社ミュートロン製ＣＣＴＶレンズ「ＭＶ０８１３」を使用した。カメラレンズ１０は、回折光Ｌ６，Ｌ６ｐ，Ｌ６ｎの全部を撮像部１１Ａの受光素子上に結像させる。

撮像部１１Ａは、受光素子を有するＣＣＤカメラからなる。撮像部１１Ａは、受光素子上に結像した回折光Ｌ６，Ｌ６ｐ，Ｌ６ｎの像のうち、＋１次回折光Ｌ６ｐの像の明暗に関する明暗信号を生成し、これを位相差算出部１２Ａに送信する。明暗信号の送信は、オペレータの指示があったときに行われてもよいし、予め定められた時間間隔（例えば、１／３０秒）で連続的に行われてもよい。

位相差算出部１２Ａは、撮像部１１ＡとしてのＣＣＤカメラに接続されたコンピュータからなる。位相差算出部１２Ａは、撮像部１１Ａが送信した＋１次回折光Ｌ６ｐに関する明暗信号を受信するとともに、受信した明暗信号が示す透過光Ｌ５の偏光状態と円偏光Ｌ４の既知の偏光状態（前述した通り、本実施例では反時計回りの円偏光）との関係に基づいて、測定対象物２０を透過することにより生じた位相差δの二次元分布を示す画像データを生成し、これを出力部１３に送信する。画像データの送信は、オペレータの指示があったときに行われてもよいし、新たな明暗信号の受信の度に自動的に行われてもよい。

ここで、測定対象物２０の厚みｄが既知で、かつ面内で一定の場合、上記位相差δの二次元分布は、測定対象物２０の複屈折Δｎの二次元分布と等価である。一方、測定対象物２０の複屈折Δｎが既知で、かつ面内で一定の場合、上記位相差δの二次元分布は、測定対象物２０の厚みｄの二次元分布と等価である。

出力部１３は、位相差算出部１２Ａとしてのコンピュータに接続されたカラーディスプレイからなる。出力部１３は、位相差算出部１２Ａが送信した画像データを受信するとともに、位相差δ（複屈折Δｎ、厚みｄ）の二次元分布画像を表示する。

続いて、図２および図３を参照しつつ、本実施例における偏光回折格子９の構成および位相差δの測定原理について詳細に説明する。

偏光回折格子９は、Ｙ方向に延びた複数の短冊状の格子単位９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ａ・・・からなる。同図から明らかなように、偏光回折格子９は、Ｘ方向（以下、「隣接方向」という）に２．５［μｍ］の周期構造を有している。より詳しくは、格子単位９ａにおいては、液晶分子の配向が隣接方向Ｘに対し＋９０［°］をなす。格子単位９ａの隣に配置された格子単位９ｂにおいては、液晶分子の配向が隣接方向Ｘに対し＋４５［°］をなす。格子単位９ｂの隣に配置された格子単位９ｃにおいては、液晶分子の配向が隣接方向Ｘに対し±０［°］をなす。また、格子単位９ｃの隣に配置された格子単位９ｄにおいては、液晶分子の配向が隣接方向Ｘに対し－４５［°］をなす。格子単位９ｄの隣には、再び格子単位９ａが配置されている。

なお、本実施例における偏光回折格子９の最大回折効率は、波長５３２［ｎｍ］において約８０％である。

上述の通り、偏光回折格子９は、＋１次回折光Ｌ６ｐおよび－１次回折光Ｌ６ｎを生じさせる。図３に示すように、＋１次回折光Ｌ６ｐ（●印）は、偏光回折格子９に入射する光、すなわち測定対象物２０の透過光Ｌ５が反時計回りの円偏光であるとき、言い換えると、波長５３２［ｎｍ］の円偏光Ｌ４を基準とした透過光Ｌ５の位相差δが０［ｒａｄ］であるときに最も弱く（暗く）、透過光Ｌ５が時計回りの円偏光であるとき、言い換えると、円偏光Ｌ４を基準とした透過光Ｌ５の位相差δが±π［ｒａｄ］であるときに最も強くなる（明るくなる）。一方、－１次回折光Ｌ６ｎ（□印）は、透過光Ｌ５が時計回りの円偏光であるときに最も弱く（暗く）、透過光Ｌ５が反時計回りの円偏光であるときに最も強くなる（明るくなる）という、＋１次回折光Ｌ６ｐとは反対の性質を示す。

このように、第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａによれば、撮像部１１Ａの受光素子上に結像した＋１次回折光Ｌ６ｐの像の明暗に基づいて、透過光Ｌ５の偏光状態を特定することができる。そして、透過光Ｌ５の偏光状態と円偏光Ｌ４の既知の偏光状態（本実施例では、反時計回りの円偏光）との関係に基づいて、透過光Ｌ５における位相差δ（測定対象物２０を透過することにより生じた位相差δ）を算出することができる。

また、＋１次回折光Ｌ６ｐの像の明暗と位相差δとには１対１の関係がある。このため、本実施例に係る複屈折測定装置１Ａによれば、予め両者の関係を調べてテーブル化しておくことで、明暗信号に基づいて瞬時に位相差δを算出することができる。

また、上述の通り、位相差δは測定対象物２０の複屈折Δｎと厚みｄの積で計算されるので、面内の厚みｄの分布が既知であれば、算出した位相差δから容易に測定対象物２０の複屈折Δｎの分布を求めることができる。

したがって、逆に複屈折Δｎが（観察視野内で）一定であることがあらかじめ分かっている場合は、算出した位相差δから容易に測定対象物２０の厚みｄの分布を求めることができる。

また、本実施例に係る複屈折測定装置１Ａによれば、カメラレンズ１０を使用して回折光を結像させるので、合焦および倍率の変更が非常に容易で、しかも、光束生成手段２として安価かつ一般的な光源（白色ＬＥＤ光源５）を使用することができる。

（第１測定例）
続いて、第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａを使用した測定の一例について説明する。本測定例では、大きさの異なる厚さ４０［μｍ］の４枚の透明なポリプロピレンフィルムを重ね合わせ、これを厚さ約１［ｍｍ］のスライドガラスで挟み込んだものを測定対象物２０とした（図４参照）。なお、同図中の数字「０」～「４」は、重ね合わされたポリプロピレンフィルムの枚数を示す。

図５（Ａ）～（Ｃ）に、撮像系３と測定対象物２０との間の距離を変えながら、測定対象物２０の＋１次回折光Ｌ６ｐに基づいて生成した当該測定対象物２０の位相差δ（複屈折Δ、厚みｄ）の二次元分布を示す。これらは、重ね合わされたポリプロピレンフィルムの枚数が多ければ多いほど、位相差δが大きくなることを示している（図３参照）。また、図５（Ｂ）の測定を行ったときよりも撮像系３を測定対象物２０から３０［ｍｍ］遠ざけると、図５（Ｂ）よりも縮小された二次元分布が得られ（同図（Ａ）参照）、反対に、撮像系３を測定対象物２０に３０［ｍｍ］近づけると、図５（Ｂ）よりも拡大された二次元分布が得られた（同図（Ｃ）参照）。

［第２実施例］
図６に、本発明の第２実施例に係る複屈折測定装置１Ｂを示す。同図に示すように、複屈折測定装置１Ｂは、撮像部１１Ａの代わりに撮像部１１Ｂを備えている点、および位相差算出部１２Ａの代わりに位相差算出部１２Ｂを備えている点において第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａと相違する。

撮像部１１Ｂは、受光素子を有するＣＣＤカメラからなる。撮像部１１Ｂは、受光素子上に結像した回折光Ｌ６，Ｌ６ｐ，Ｌ６ｎの像のうち、＋１次回折光Ｌ６ｐの像の明暗に関する明暗信号と－１次回折光Ｌ６ｎの像の明暗に関する明暗信号とを生成し、これらを位相差算出部１２Ｂに送信する。

位相差算出部１２Ｂは、撮像部１１ＢとしてのＣＣＤカメラに接続されたコンピュータからなる。位相差算出部１２Ｂは、撮像部１１Ｂが送信した＋１次回折光Ｌ６ｐおよび－１次回折光Ｌ６ｎに関する明暗信号を受信するとともに、受信した２つの明暗信号が示す透過光Ｌ５の偏光状態と円偏光Ｌ４の既知の偏光状態との関係に基づいて、測定対象物２０を透過することにより生じた位相差δの二次元分布を示す画像データを生成し、これを出力部１３に送信する。

（第２測定例）
続いて、第２実施例に係る複屈折測定装置１Ｂを使用した測定の一例について説明する。本測定例では、第１測定例と同様、大きさの異なる厚さ４０［μｍ］の透明な４枚のポリプロピレンフィルムを重ね合わせ、これを厚さ約１［ｍｍ］のスライドガラスで挟み込んだものを測定対象物２０とした（図４参照）。

図７（Ａ）に、＋１次回折光Ｌ６ｐおよび－１次回折光Ｌ６ｎの像を示す。同図に示すように、＋１次回折光Ｌ６ｐの像と－１次回折光Ｌ６ｎの像とは、明暗が逆転した関係にある。このため、これら２つの像の明暗信号を利用することにより、Ｓ／Ｎの高い位相差δの算出を行うことができる。

また、本実施例に係る複屈折測定装置１Ｂによれば、測定対象物２０の複屈折に起因する情報とそれ以外の情報とを切り分けることができる。例えば、図７（Ｂ）の領域Ａ，Ａ’に存在する三角形は、領域Ａでは周囲より明るく、領域Ａ’では周囲より暗いので、複屈折に起因する情報であるといえる。一方、図７（Ｂ）の領域Ｂ，Ｂ’に存在する三角形は、いずれの領域においても周囲より暗いので、複屈折に起因しない情報であるといえる。さらに、図７（Ｂ）の領域Ｃに存在する模様は、領域Ｃ’には存在しない。したがって、これも複屈折に起因しない情報であるといえる。なお、領域Ｂ，Ｂ’の三角形は、複屈折が発現しない領域、または不透明な領域を示していると考えられる。

［第３実施例］
図８に、本発明の第３実施例に係る複屈折測定装置１Ｃを示す。同図に示すように、複屈折測定装置１Ｃは、波長フィルター６の代わりに択一的に使用される第１波長フィルター６ａ、第２波長フィルター６ｂおよび第３波長フィルター６ｃを備えている点、および位相差算出部１２Ａの代わりに位相差算出部１２Ｃを備えている点において第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａと相違する。

第１波長フィルター６ａ、第２波長フィルター６ｂおよび第３波長フィルター６ｃは、透過させる波長帯が互いに異なる。本実施例では、選択波長光Ｌ２のピーク波長は、第１波長フィルター６ａを使用したときに４５０［ｎｍ］となり、第２波長フィルター６ｂを使用したときに５３２［ｎｍ］となり、第３波長フィルター６ｃを使用したときに６３３［ｎｍ］となる。

位相差算出部１２Ｃは、撮像部１１ＡとしてのＣＣＤカメラに接続されたコンピュータからなる。位相差算出部１２Ｃは、第１波長フィルター６ａが使用されているときに撮像部１１Ａが送信した＋１次回折光Ｌ６ｐに関する明暗信号と、第２波長フィルター６ｂが使用されているときに撮像部１１Ａが送信した＋１次回折光Ｌ６ｐに関する明暗信号と、第３波長フィルター６ｃが使用されているときに撮像部１１Ａが送信した＋１次回折光Ｌ６ｐに関する明暗信号とに基づいて位相差δの二次元分布を示す画像データを生成し、これを出力部１３に送信する。

第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａおよび第２実施例に係る複屈折測定装置１Ｂによれば、次式により、波長λ（第１実施例および第２実施例では、λ＝５３２［ｎｍ］）の円偏光Ｌ４に対する位相差δ（λ）を算出することができる。

ここで、η（λ）は、波長λにおける偏光回折格子９の回折効率、η_ｍａｘ（λ）は、偏光回折格子９の既知の最大回折効率である。

ただし、複屈折測定装置１Ａ，１Ｂでは、図３から明らかなように、位相差δが－πである場合とπである場合とを区別したり、－π／２である場合とπ／２である場合とを区別したりすることができない。つまり、複屈折測定装置１Ａ，１Ｂでは、絶対的な位相差δを算出することはできない。この問題を解消するべく、本実施例では、透過させる波長帯が互いに異なる３個の波長フィルター（第１波長フィルター６ａ、第２波長フィルター６ｂおよび第３波長フィルター６ｃ）を使用するのである。

通常の物質（これには、測定対象物２０が含まれる）は、その屈折率について固有の波長分散を有するため、複屈折Δｎについても波長分散を有する。これを考慮すると、入射光（円偏光Ｌ４）の波長λがλ_１（本実施例では、４５０［ｎｍ］）、λ_２（本実施例では、５３２［ｎｍ］）およびλ_３（本実施例では、６３３［ｎｍ］）であるときの複屈折Δｎは、Δｎ（λ_１）、Δｎ（λ_２）およびΔｎ（λ_３）で表すことができ、さらに、測定対象物２０を透過することにより生じた位相差δ（λ_１）、位相差δ（λ_２）および位相差δ（λ_３）は、次式で表すことができる。

上式で求められる位相差δ（λ_１）、位相差δ（λ_２）および位相差δ（λ_３）は、通常、同じ値にはならない。これら３式を［数３］の式にそれぞれ代入し、さらに、リタデーションΔｎ（λ）ｄの波長分散においては、屈折率と同様に、コーシーの式による物質固有の定数が成立することを適宜考慮すれば、候補となる各波長λにおける絶対的な位相差δ（λ）を数値解析的に求めることができる。つまり、本実施例に係る複屈折測定装置１Ｃによれば、位相差算出部１２Ｃが上記の演算を行うことにより、絶対的な位相差δ（λ）を求めることができる。

［第４実施例］
図９に、本発明の第４実施例に係る複屈折測定装置１Ｄを示す。同図に示すように、複屈折測定装置１Ｄは、測定対象物２０としてのフィルムＦを所定の位置に連続的に供給するフィルム供給機構１４をさらに備えている点において第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａと相違する。また、本実施例におけるアイリス部４は、フィルムＦに入射する光束（円偏光Ｌ４）を偏光回折格子９を構成する格子単位に平行なライン状に規制するように構成されている（図１０参照）。

本実施例に係る複屈折測定装置１Ｄは、撮像部１１ＡがフィルムＦの供給速度に対応した時間毎に明暗信号を生成し、位相差算出部１２ＡがフィルムＦのライン状の狭い領域に対応する画像データを繋ぎ合わせることにより、大量生産されるフィルムＦの複屈折における異常を漏れなく検査するフィルム検査装置として使用することができる。

［変形例］
以上、本発明に係る複屈折測定装置および複屈折測定方法の実施例について説明してきたが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。

（１）光束照射手段２は、予め定められた円偏光状態の光束Ｌ４を測定対象物２０に照射可能な限りにおいて、構成を適宜変更することができる。例えば、光束照射手段２は、白色ＬＥＤ光源５の代わりに、ランプ、白色以外のＬＥＤ、レーザ、エレクトロルミネッセンス素子等からなる光源を備えていてもよい。そして、白色ＬＥＤ光源５の代わりに特定周波数の光束を照射可能な光源を使用する場合は、波長フィルター６（６ａ，６ｂ）を省略することができ、白色ＬＥＤ光源５の代わりに任意の偏光状態の光束を照射可能な光源を使用する場合は、直線偏光子７および１／４波長板８を省略することができる。なお、波長フィルター６（６ａ，６ｂ）は、直線偏光子７と１／４波長板８の間に配置してもよいし、１／４波長板８と測定対象物２０の間に配置してもよいし、測定対象物２０と偏光回折格子９の間に配置してもよい。また、円偏光Ｌ４は、楕円偏光であってもよい。

（２）アイリス部４のアイリス形状は、ライン状に限定されない。また、アイリス部４は、測定対象物２０と偏光回折格子９の間に配置してもよい。また、光束照射手段２自身の機能によって円偏光Ｌ４の拡がりが制限される場合は、アイリス部４を省略することができる。

（３）偏光回折格子９は、透明な樹脂板または透明な石英板表面に任意の手法（例えば、光インプリント法）によって格子単位を並べて形成した構造複屈折偏光回折格子であってもよい。

（４）カメラレンズ１０は、例えば、マクロレンズ、広角レンズおよびズームレンズであってもよい。マクロレンズは、測定対象物２０の狭い領域の詳細な二次元分布を得るのに適しており、広角レンズは、測定対象物２０の広い領域の二次元分布を得るのに適している。また、カメラレンズ１０としてズームレンズを使用すれば、撮像系３と測定対象物２０との間の距離を調整可能とするための機構を省略することができる。

（５）測定対象物２０が反射光を生じさせる場合、各実施例に係る複屈折測定装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、透過光Ｌ５の代わりに反射光を利用して測定対象物２０の複屈折Δｎの二次元分布を測定してもよい。この場合は、測定対象物２０からの反射光を受光可能な位置に撮像系３を配置する必要がある。この構成では、偏光回折格子９は、反射光から複数の回折光Ｌ６，Ｌ６ｐ，Ｌ６ｎを生じさせる。カメラレンズ１０は、回折光Ｌ６，Ｌ６ｐ，Ｌ６ｎのうちの少なくとも１つを結像させる。撮像部１１Ａ，１１Ｂは、カメラレンズ１０によって結像された像の明暗に関する明暗信号を生成する。そして、位相差算出部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、反射光における位相差δ（より詳しくは、測定対象物２０から反射することにより生じた、円偏光Ｌ４を基準とした位相差δ）を算出する。

（６）各実施例における撮像部１１Ａ，１１Ｂは、０次回折光Ｌ６の像、＋１次回折光Ｌ６ｐの像および－１次回折光Ｌ６ｎの像の明暗に関する３つの明暗信号を生成してもよい。この場合、各実施例における位相差算出部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、受信した３つの明暗信号のうち、必要なものだけに基づいて位相差δを算出すればよい。

（７）第３実施例における波長フィルターの数は、２個または４個以上であってもよい。ただし、第３実施例では、使用する波長λ毎に［数３］で示される周期関数から数値解析的に候補となる解、すなわち位相差δ（λ）を求めるため、使用する波長λの数が多ければ多いほど候補となる位相差δ（λ）を求めるのが容易となる。したがって、波長フィルターの数は、３個以上であることが好ましい。

（８）第１、第２および第４実施例における選択波長光Ｌ２のピーク波長（５３２［ｎｍ］）、および第３実施例における選択波長光Ｌ２のピーク波長（４５０［ｎｍ］，５３２［ｎｍ］，６３３［ｎｍ］）は単なる一例であり、２００［ｎｍ］～３０［μｍ］、より好ましくは３００［ｎｍ］～１０［μｍ］の範囲内で任意に設定することができる。

（９）各実施例における偏光回折格子９の周期（２．５［μｍ］）も単なる一例であり、選択波長光Ｌ２のピーク波長の上限および下限に０．６を乗じた数値を上限および下限とする範囲内、すなわち、１２０［ｎｍ］～１８［μｍ］、より好ましくは１８０［ｎｍ］～６［μｍ］の範囲内で任意に設定することができる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 複屈折測定装置
２ 光束照射部
３ 撮像系
４ アイリス部
５ 白色ＬＥＤ光源
６ 波長フィルター
６ａ 第１波長フィルター
６ｂ 第２波長フィルター
６ｃ 第３波長フィルター
７ 直線偏光子
８ １／４波長板
９ 偏光回折格子
１０ カメラレンズ
１１Ａ，１１Ｂ 撮像部
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ 位相差算出部
１３ 出力部
１４ フィルム供給機構
２０ 測定対象物（複屈折媒体）
Ｆ フィルム
Ｌ１ 白色光
Ｌ２ 選択波長光
Ｌ３ 直線偏光
Ｌ４ 円偏光
Ｌ５ 透過光
Ｌ６ ０次回折光
Ｌ６ｐ ＋１次回折光
Ｌ６ｎ －１次回折光

Claims (13)

1. 予め定められた円偏光状態の光束を測定対象物に照射する光束照射部と、
   前記測定対象物を透過した光束、または前記測定対象物から反射した光束から複数の回折光を生じさせる偏光回折格子と、
   前記複数の回折光のうちの少なくとも１つを結像させるカメラレンズと、
   前記カメラレンズによって結像された実空間における二次元分布の像の明暗に関する明暗信号を生成する撮像部と、
   予め調べておいた、前記像の明暗と前記測定対象物を透過した光束における異常光成分と常光成分の間の位相差との関係、または前記像の明暗と前記測定対象物から反射した光束における異常光成分と常光成分の間の位相差との関係に基づいて、前記明暗信号から前記位相差を算出する位相差算出部と、
   前記位相差算出部によって算出された前記位相差に関する情報を出力する出力部と、
   を備えたことを特徴とする複屈折測定装置。
2. 前記撮像部は、前記カメラレンズによって結像された＋１次回折光の像および－１次回折光の像の一方または両方の前記明暗信号を生成し、
   前記位相差算出部は、生成された全ての前記明暗信号に基づいて前記位相差を算出することを特徴とする請求項１に記載の複屈折測定装置。
3. 前記撮像部は、前記カメラレンズによって結像された＋１次回折光の像および－１次回折光の像の両方の前記明暗信号を生成し、
   前記位相差算出部は、前記＋１次回折光の前記明暗信号および前記－１次回折光の前記明暗信号の一方または両方に基づいて前記位相差を算出することを特徴とする請求項１に記載の複屈折測定装置。
4. 前記カメラレンズは、ＣＣＴＶレンズ、マクロレンズまたは広角レンズであり、
   前記偏光回折格子、前記カメラレンズおよび前記撮像部からなる撮像系と前記測定対象物との距離が調整可能となっていることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の複屈折測定装置。
5. 前記カメラレンズは、ズームレンズであり、
   前記偏光回折格子、前記カメラレンズおよび前記撮像部からなる撮像系と前記測定対象物との距離が調整不能となっていることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の複屈折測定装置。
6. 前記光束照射部の内部に、または前記測定対象物と前記偏光回折格子との間に配置された波長フィルターをさらに備えたことを特徴とする請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の複屈折測定装置。
7. 前記波長フィルターは、透過させる波長帯が互いに異なり、かつ択一的に使用されるｎ個（ただし、ｎは２以上の整数）の波長フィルターを含み、
   前記位相差算出部は、前記ｎ個の波長フィルターのそれぞれが使用されているときの前記明暗信号に基づいて前記位相差を算出することを特徴とする請求項６に記載の複屈折測定装置。
8. 前記光束照射部は、光源としてのランプまたはＬＥＤと、前記光源が出射した光束に作用するように配置された直線偏光子と、前記直線偏光子を透過した光束に作用するように配置された１／４波長板とを含み、
   前記波長フィルターは、前記光源と前記直線偏光子との間に配置されていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の複屈折測定装置。
9. 前記偏光回折格子は、隣接方向に並べられた複数の短冊状の格子単位からなり、かつ前記隣接方向に周期構造が形成されるように、隣接した前記格子単位において配向が異なっており、
   前記測定対象物に入射する光束を前記格子単位に平行なライン状に規制するアイリス部をさらに備えたことを特徴とする請求項１～請求項８のいずれか一項に記載の複屈折測定装置。
10. 予め定められた円偏光状態の光束を測定対象物に照射する光束照射部と、
    前記測定対象物を透過した光束から複数の回折光を生じさせる偏光回折格子であって、隣接方向に並べられた複数の短冊状の格子単位からなり、かつ前記隣接方向に周期構造が形成されるように、隣接した前記格子単位において配向が異なっているものと、
    前記複数の回折光のうちの少なくとも１つを結像させるカメラレンズと、
    前記カメラレンズによって結像された実空間における二次元分布の像の明暗に関する明暗信号を生成する撮像部と、
    予め調べておいた、前記像の明暗と前記測定対象物を透過した光束における異常光成分と常光成分の間の位相差との関係に基づいて、前記明暗信号から前記位相差を算出する位相差算出部と、
    前記位相差算出部によって算出された前記位相差に関する情報を出力する出力部と、
    前記測定対象物に入射する光束を前記格子単位に平行なライン状に規制するアイリス部と、
    を備え、
    前記光束照射部は、光源としてのランプまたはＬＥＤと、前記光源が出射した光束に作用するように配置された波長フィルター、直線偏光子および１／４波長板とを含む
    ことを特徴とする複屈折測定装置。
11. 請求項１～請求項１０のいずれか一項に記載の複屈折測定装置を備え、
    前記測定対象物としてのフィルムの複屈折に関する異常を検査するために使用されることを特徴とするフィルム検査装置。
12. 予め定められた円偏光状態の光束を測定対象物に照射する光束照射工程と、
    前記測定対象物を透過した光束、または前記測定対象物から反射した光束から複数の回折光を生じさせる偏光回折工程と、
    前記複数の回折光のうちの少なくとも１つをカメラレンズで結像させる結像工程と、
    前記カメラレンズで結像された実空間における二次元分布の像の明暗に関する明暗信号を生成する信号生成工程と、
    予め調べておいた、前記像の明暗と前記測定対象物を透過した光束における異常光成分と常光成分の間の位相差との関係、または前記像の明暗と前記測定対象物から反射した光束における異常光成分と常光成分の間の位相差との関係に基づいて、前記明暗信号から前記位相差を算出する位相差算出工程と、
    算出した前記位相差に関する情報を出力する出力工程と、
    を備えたことを特徴とする複屈折測定方法。
13. 請求項１２に記載の複屈折測定方法によって、前記測定対象物としてのフィルムの複屈折に関する異常を検査することを特徴とするフィルム検査方法。

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