JPH05281137A - 複屈折測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 偏光子、検光子等の偏光素子の設定に誤差が
ある場合にも、試料の複屈折を正確に測定することがで
きる複屈折測定装置の提供を目的とする。 【構成】 直線偏光を発する光源１０と、直線偏光を円
偏光に変換する第１のλ／４板２０と、試料３０を射出
した光束を直線偏光に近い楕円偏光に変換する第２のλ
／４板４０と、イメージセンサ６０と、偏光素子を回転
させつつ受光手段の出力を検出して光束の偏光状態を測
定する測定手段と、試料を配置せずに測定した測定装置
固有の偏光状態を記憶する記憶手段と、測定手段の出力
から記憶手段の出力を差し引いて試料の複屈折を解析す
る手段とを有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光学部品が持つ分子
配向のひずみによる複屈折情報を測定する装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】プラスチック等の高分子化合物は、一般
的に結晶と同様の異方性を有し、複屈折を生じさせる。

【０００３】この複屈折を測定するための装置として
は、従来例えば特開昭６３-２６９０４５号公報に開示
される装置が知られている。

【０００４】この公報に記載された装置は、直交ニコル
態様で配置された偏光子と検光子との間に復屈折を持つ
試料を配置し、これらを透過する光束の光量を直交ニコ
ルを回転させつつビデオカメラで捉える構成である。測
定に当っては、検出される光強度の最大値と、最大値が
出力された際の回転角度とを求め、試料の復屈折を直交
ニコルの回転角度の関数として求めるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来装置では、偏光子、検光子等の偏光素子の設定に誤
差があると、測定結果に誤差による影響を含まれるた
め、試料の複屈折を正確に測定することができないとい
う問題がある。

【０００６】

【発明の目的】この発明は、上記の課題に鑑みてなされ
たものであり、偏光子、検光子等の偏光素子の設定に誤
差がある場合にも、試料の複屈折を正確に測定すること
ができる複屈折測定装置の提供を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明に係る複屈折測
定装置は、上記目的を達成させるため、特定の偏光を試
料に対して入射させる光源と、試料を射出した光束の偏
光状態を変化させる偏光素子と、偏光素子を透過した光
束を受光する受光手段と、偏光素子を回転させつつ受光
手段の出力を検出して光束の偏光状態を測定する測定手
段と、試料を配置せずに測定した測定装置固有の偏光状
態を記憶する記憶手段と、測定手段の出力から記憶手段
の出力を差し引いて試料の複屈折を解析する手段とを有
することを特徴とする。

【０００８】

【実施例】以下、この発明を図面に基づいて説明する。

【０００９】図１は、この発明にかかる複屈折測定装置
の一実施例を示す。

【００１０】この装置は、所定の広がりを持った直線偏
光を発する光源部１０と、光源部から発した光束を円偏
光に変換する第１のλ／４板２０と、試料３０を透過し
た光束を直線偏光に近い楕円偏光に変換する移相子とし
ての第２のλ／４板４０と、光路内に回転自在に設けら
れた検光子５０と、検光子５０を透過した光束を受光す
るＣＣＤセンサ等の二次元のイメージセンサ６０とを備
えている。イメージセンサ６０の出力は、Ａ／Ｄ変換さ
れてフレームグラバ６１に記憶され、コンピュータ６２
により解析されて複屈折の情報としてディスプレイ６３
に表示される。

【００１１】なお、コンピュータ６２には、試料を配置
しない状態での複屈折の情報を記憶する記憶手段として
のメモリ６４が接続されている。

【００１２】光源部１０は、直線偏光を発生するレーザ
ー装置、あるいは偏光状態がランダムな光束を発する光
源と偏光子とを組み合せた光源１１と、この光源から発
した光束の径を拡大するビームエキスパンダー１２とに
より構成される。

【００１３】第２のλ／４板４０は、コンピュータ６２
からの指示により、モータ４１を介して少なくとも２つ
の角度に設定できるよう光軸回りに回動自在に設けられ
ている。

【００１４】検光子５０は、モータ５１により自動的に
回転され、回転角度は角度センサ５２によりコンピュー
タ６２に入力される。

【００１５】上記の装置を用いる場合、初期設定として
装置固有の偏光特性の誤差を測定し、測定結果をメモリ
ー６４に記憶させておく。次に、試料を配置して試料の
複屈折を測定し、測定結果から装置固有の誤差成分を差
し引いて試料自体の持つ複屈折情報を抽出する。

【００１６】以下、試料を配置した場合について測定の
原理を説明する。試料を配置しない場合にも測定の原理
は同様である。

【００１７】まず、第１、第２のλ／４板２０,４０間
に試料３０を配置し、試料に対して円偏光を入射させ、
試料を射出した偏光を第２のλ／４板４０、検光子５０
を介して受光する。

【００１８】複屈折を持つ試料に円偏光を入射させる
と、試料の遅相軸と進相軸との屈折率の違いによって直
交２軸の進行速度に相違が生じ、楕円偏光となって射出
される。

【００１９】この楕円偏光を再びλ／４板等の移相子を
透過させることにより直線偏光に近い楕円偏光とし、検
光子を透過させる。検光子を回転させることにより、受
光される光量が正弦的に変化するため、この変化を複数
のポイントでサンプリングすることにより、偏光の状態
を測定できる。

【００２０】なお、プラスチック等の直線複屈折結晶に
直線偏光を入射させた場合には、入射光が固有偏光に一
致したときに偏光状態が変化を受けずに透過してしま
い、複屈折の情報を検出し得ない。円偏光を入射させた
場合には、直線偏光を用いた場合と違って試料は不感方
向を持たず、何れの方向での測定でも偏光状態の測定が
可能である。

【００２１】また、測定光が直線偏光に近いほど、受光
する素子に達する光量の変化が大きくなり、測定の精度
が向上する。そこで、移相子としては、より直線偏光に
近い楕円偏光を作る上で、λ／４板が適当である。

【００２２】第１段階では、第２のλ／４板４０の中性
軸を第１のλ／４板２０の中性軸に対して４５度に設定
する。コンピュータ６０は、角度センサ３２の出力から
検光子３０の回転角度が所定の値となった時点でイメー
ジセンサ６０の出力をサンプリングし、フレームグラバ
６１に記憶させる。

【００２３】第２段階では、第２のλ／４板４０の中性
軸を第１のλ／４板２０の中性軸に対して０度に設定す
る。そして、第１段階と同様に少なくとも検光子５０の
回転角度の異なる３箇所でイメージセンサ６０の出力を
サンプリングし、各画素毎に光束の偏光状態を測定す
る。

【００２４】楕円偏光を表現する場合には、図２に示す
ように、光の進行方向に対向した面内での電界ベクトル
の先端の描く楕円の長半径ａ、短半径ｂ、傾きψの３つ
のパラメータが必要である。

【００２５】楕円偏光を検光子を介して受光した場合の
強度Ｉは、検光子の回転角度をθとして、(１)式で求め
ることができる。

【００２６】

【数１】

【００２７】(１)式には、偏光特性を表すα、β、ψの
３つの未知変数が存在するため、少なくとも３つの異な
る角度位置に検光子５０を回転させた際の出力強度Ｉを
測定することにより、３つの未知数の値を求めることが
できる。ここでは、計算を簡単にするために、４５゜毎
に４回の測定を行うこととする。４回の測定による強度
をそれぞれＩ0, Ｉ45, Ｉ90, Ｉ135とすると、下式に従
って偏光特性を表現する変数を求める。

【００２８】

【数２】

【００２９】強度のみに基づいて偏光特性を測定する場
合には、試料の上に汚れ等があった場合にもこれを強度
変化として捉えてしまうため、信号にノイズが乗ってし
まい、正確な偏光特性の測定が行えないという問題があ
る。

【００３０】ノイズの影響を考慮すると、検出される光
強度Ｉは、和のノイズｎｓ、積のノイズｎｍとして、以
下の式で表すことができる。

【００３１】

【数３】

【００３２】このようなノイズがあると、α、βを正確
に求めることができない。但し、偏光楕円の主軸の傾き
ψはノイズの影響を受けずに正確に求めることができ
る。

【００３３】ここで、和のノイズとは、光学的には例え
ば測定光以外の照明光等の光の受光手段に対する混入に
より生ずるノイズをいい、電気的には例えばテレビ信号
のオフセット調整の不備によって発生するノイズを指
す。また、積のノイズとは、光学的には照明ムラ等によ
って生じるノイズをいい、電気的にはＣＣＤの画素間の
感度のバラツキ等によるノイズを指す。

【００３４】複屈折を測定するためには、複屈折の軸方
向とリターダンスとを求める必要がある。

【００３５】実施例の装置では、上記のψを移相子の設
定角度を変化させて少なくとも２回解析する。コンピュ
ータ６２は、フレームグラバ６１に記憶された各画素単
位の強度情報に基づいて第１段階でのψに相当する値ξ
と、第２段階でのψに相当する値ηとを求める。

【００３６】ここで、リターダンスがπ／２より小さい
と仮定すると、直線偏光に近い偏光のψを測定するのみ
で以下の原理に基づいてリターダンスδと軸方向θとを
求めることができる。

【００３７】リターダンスδ、軸方向θの複屈折を有す
る試料に左円偏光を入射させ、試料を射出した光束を４
５度に設定したλ／４板を透過させた場合の出力光Ｘ４
５は、以下のベクトルで表すことができる。

【００３８】

【数４】

【００３９】この出力光Ｘ４５の偏光楕円の長軸方向ξ
は、(２)式の通りである。

【００４０】

【数５】

【００４１】また、λ／４板の角度を０度とすると、出
力光Ｘ０は、以下のベクトルで示される。

【００４２】

【数６】

【００４３】観測系の座標を４５度回転させると、出力
光Ｘ０-４５は以下のベクトルとなる。

【００４４】

【数７】

【００４５】このとき検出される楕円偏光の軸方向η
は、(３)式で表現できる。

【００４６】

【数８】

【００４７】δ、θは、(２)式と(３)式とから以下のよ
うに求められる。

【００４８】

【数９】

【００４９】上記の演算は、イメージセンサの各画素毎
に実行され、試料の全域の複屈折情報を一度に解析する
ことができる。

【００５０】解析が終了すると、例えばリターダンスδ
を明暗の階調に変換してディスプレイ６３に表示し、あ
るいはドットの大きさに変換してプリントアウトする。
これにより、試料の複屈折のバラツキを全体として視覚
的に捉えることができる。

【００５１】ただし、上記の方法で試料の複屈折を測定
する場合、全ての光学素子の設定が設計値通りであれば
問題はないものの、実際にはλ／４板、検光子等の位相
や設定角度に誤差が含まれることも考えられるため、こ
れらの誤差をキャンセルすることができればより正確な
測定が可能となる。

【００５２】この発明にかかる複屈折測定装置は、各光
学素子の設定誤差をキャンセルするため、試料を配置し
ない状態でのバイアスを予め求めておき、実際の測定に
あたってバイアス分を差し引くことにより、正確な測定
を可能としている。

【００５３】第１、第２のλ／４板の位相、中性軸の方
向、そして検光子の方向が設定からそれぞれ１.００°
の誤差を持つ場合、表１に示すようなリターダンス誤差
を生じさせる。

【００５４】

【表１】 誤差 リターダンス誤差 第１のλ／４板の位相 １.００° １.００° 第１のλ／４板の方向 １.００° ２.００° 第２のλ／４板の位相 １.００° ０.００° 第２のλ／４板の方向(０°) １.００° ２.００° 第２のλ／４板の方向(45°) １.００° ２.００° 検光子の方向 １.００° ２.００°

【００５５】図３から図７は、試料が５°のリターダン
スを有する場合にシステム全体の値として検出されるリ
ターダンスを軸方向θを変化させてプロットして示した
ものである。円グラフで示される極座標の半径方向がリ
ターダンスδ、回転方向が軸方向２θを示す。図中の●
印が各光学素子が誤差を有さない場合の理想的な値、そ
して、矢印の先端が各光学素子が誤差を有する場合の測
定値である。

【００５６】図３は第１のλ／４板２０の位相が１°誤
差を持つ場合、図４は第１のλ／４板２０の方向が１°
誤差を持つ場合、図５は第２のλ／４板４０の方向(０
°)が１°誤差を持つ場合、図６は第２のλ／４板４０
の方向(４５°)が１°誤差を持つ場合、図７は検光子の
方向が１°の誤差を持つ場合をそれぞれ示している。

【００５７】各図から理解できるように、各光学素子が
誤差を有する場合、検出されるリターダンスは試料３０
のリターダンスの軸方向に拘らず、一定の方向に一定量
変化する。

【００５８】また、全ての素子の影響が極座標上でのベ
クトルとして表されるため、複数の光学素子が誤差を有
する場合にも、システム全体としては個々の素子のベク
トルの和として考えることができる。

【００５９】したがって、試料を配置しない状態で測定
された複屈折の情報は、各素子の誤差が合成されたシス
テム全体の誤差として捉えることができる。

【００６０】そこで、実施例の装置では、第１段階での
４回の測定状態での試料なしでのαをバイアスとして求
め、第２段階での４回の測定での試料なしでのβをバイ
アスとして求め、それぞれメモリーに記憶しておく。ま
た、回転させるλ／４板は、目盛と実際の中性軸とのズ
レを把握しておく。

【００６１】これらの誤差を試料を配置しての測定の際
に測定値から差し引くことにより、装置自体の誤差をキ
ャンセルして試料の複屈折を正確に測定することができ
る。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
偏光素子の位相、角度の誤差により生じる装置自体が持
つバイアスの複屈折情報を、測定された試料の複屈折情
報から差し引くことにより、試料の複屈折を正確に解析
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に係る複屈折測定装置の一実施例を
示す説明図である。

【図２】 偏光楕円を示すグラフである。

【図３】 第１のλ／４板の位相が１°誤差を持つ場合
のリターダンスを示すグラフである。

【図４】 第１のλ／４板の方向が１°誤差を持つ場合
のリターダンスを示すグラフである。

【図５】 第２のλ／４板の方向(０°)が１°誤差を持
つ場合のリターダンスを示すグラフである。

【図６】 第２のλ／４板の方向(45°)が１°誤差を持
つ場合のリターダンスを示すグラフである。

【図７】 検光子の方向が１°の誤差を持つ場合のリタ
ーダンスを示すグラフである。

【符号の説明】

１０…光源部 ２０…第１のλ／４板 ３０…試料 ４０…第２のλ／４板 ５０…検光子 ６０…イメージセンサ ６４…メモリ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】特定の偏光を試料に対して入射させる光源
   と、 該試料を射出した光束の偏光状態を変化させる偏光素子
   と、 該偏光素子を透過した光束を受光する受光手段と、 前記偏光素子を回転させつつ前記受光手段の出力を検出
   して光束の偏光状態を測定する測定手段と、 前記試料を配置せずに測定した測定装置固有の偏光状態
   を記憶する記憶手段と、 前記測定手段の出力から前記記憶手段の出力を差し引い
   て前記試料の複屈折を解析する手段とを有することを特
   徴とする複屈折測定装置。
2. 【請求項２】前記光源は、前記試料に対して円偏光を入
   射させ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. 【請求項３】前記偏光素子は、移相子と検光子とから構
   成され、該検光子を回転させつつ偏光状態を測定するこ
   とを特徴とする請求項２に記載の複屈折測定装置。
4. 【請求項４】前記解析手段は、前記移相子を第１の角度
   に設定して測定した結果と、前記移相子を光軸周りに所
   定角度回転させて第２の角度に設定して測定した結果と
   に基づいて前記試料の複屈折を解析することを特徴とす
   る請求項３に記載の複屈折測定装置。
5. 【請求項５】円偏光を試料に対して入射させる光源と、 前記試料を透過した光束を移相子と検光子とを介して受
   光する受光手段と、 前記検光子を回転させつつ、前記受光手段の出力から光
   束の偏光状態を測定する測定手段と、 前記試料を配置せずに前記測定手段により測定した測定
   装置固有の偏光状態を記憶する記憶手段と、 前記移相子を互いに異なる複数の角度に設定し、それぞ
   れの設定状態で前記測定手段の出力から前記記憶手段の
   出力を差し引いて測定された偏光状態に基づき、前記試
   料の複屈折を解析する手段とを有することを特徴とする
   複屈折測定装置。