JPH10153500A

JPH10153500A - 光弾性定数の測定方法および測定装置

Info

Publication number: JPH10153500A
Application number: JP8315147A
Authority: JP
Inventors: Motoi Ueda; 基上田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-11-26
Filing date: 1996-11-26
Publication date: 1998-06-09

Abstract

(57)【要約】【課題】透光性材料を有する被測定試料２１の光弾性
定数を簡易にかつ波長依存性（波長分散）をも含め測定
できる方法を提供する。【解決手段】被測定試料２１に、光弾性変調器１５に
より位相変調をかけた測定用の光を照射しかつ強さおよ
び方向が分かる状態の応力が生じるよう外力を加圧手段
２３により加える。前記光照射および外力を加えた状態
の被測定試料を、回転軸が測定光の光軸に一致する状態
で回転させながら被測定試料を透過してくる光を光検出
手段１９により検出する。該検出した光に基づいて被測
定試料の複屈折量を算出する。該算出した屈折量と前記
応力とに基づいて被測定試料の光弾性定数を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、透光性材料の光弾
性定数およびその分散を高精度に測定する方法およびそ
の実施に好適な装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、偏光を利用した光学系、すなわち
偏光光学系の応用分野が急速に広がっている。このよう
な偏光光学系において所望の特性を得るためには、偏光
特性を高精度に制御できる技術が重要になる。

【０００３】ところで、ガラスのように等質等方な透光
性材料でも、これに力を加えて応力を生じさせると、光
学的な異方性が生じて、ある種の結晶体と同様に複屈折
性を持つようになる。これは光弾性効果と呼ばれ、透光
性材料で単位応力当たりかつ単位光路当たりで生じる複
屈折量が光弾性定数として定義されている。実際のとこ
ろ透光性材料例えばガラスを様々な光学系に組み込んだ
場合、この透光性材料にかかる熱応力や力学的外部応力
が零であることはあり得ない。そのため透光性材料で
は、少なからず上記応力が原因で光弾性効果が生じ、そ
してこの光弾性効果が原因で複屈折が生じる。このよう
に生じる複屈折は、透光性材料を組み込んだ偏光光学系
の偏光特性を害する原因の１つになる。従って、偏光光
学系で偏光特性を高精度に制御するためには、透光性材
料の光弾性定数を高精度に測定できる技術が、必要にな
る。

【０００４】透光性材料の光弾性定数を測定する従来方
法の一つとして、例えば特開平４−６４４４号公報に開
示された方法がある。これは、光ヘテロダイン法の原理
を応用した手法によってまず外部応力を加えない状態の
試料の複屈折量と複屈折の主軸方位を高精度で求め、次
に同様の手法により外部応力を加えた状態の試料の複屈
折量と複屈折の主軸方位を高精度で求め、その後、これ
ら求めたデータに基づいて光弾性定数を求めるものであ
る（例えば公報第７頁左上欄第１４行〜右上欄第４
行）。この方法によれば、１×１０^-4（ｎｍ／ｃｍ）／
（Ｋｇｆ／ｃｍ² ）あるいはそれ以下のオーダーの光弾
性定数測定が可能である（例えば公報第６頁右下欄最下
行〜第７頁左上欄第３行）。

【０００５】一方、複屈折性をそもそも有する材料の複
屈折量を高精度で測定する従来方法の一つとして、例え
ば特開昭６３−８２３４５号公報に開示の方法がある。
これは、位相変調した測定光を試料に照射すると共に、
回転軸が測定光の光軸に一致するように試料を回転さ
せ、その状態で試料を透過してくる光に基づいて試料の
複屈折量を測定するものである（例えば公報第２〜第３
頁の実施例）。この方法によれば、複屈折を±０．０１
ｎｍの精度で測定できることが期待できる（公報の例え
ば第２頁右下欄第６〜９行）。直交偏光子の間に被測定
物とバビネソレイユ位相補償板を配した一般的な偏光補
償法では複屈折を±０．１ｎｍ程度の精度でしか測定で
きなかった点と比べると、特開昭６３−８２３４５号公
報に開示のこの方法は、複屈折の測定法として優れた方
法といえた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６３−８２３４５号公報には、複屈折性をそもそも有す
る透光性材料の複屈折量を測定する方法が記載されてい
るにすぎない。ガラスなどのような通常は複屈折性を示
さない透光性材料の複屈折性を測定し得る技術はもちろ
ん、そのような透光性材料の光弾性定数を測定し得る技
術については何ら記載も示唆もされていない。

【０００７】また、特開平４−６４４４号公報に開示さ
れた方法では、光源として横ゼーマンレーザー装置等の
ビート信号を発生させる装置を用いる必要がある（例え
ば第４頁左下欄第２行）。横ゼーマンレーザー装置自体
が高価なものであるため、特開平４−６４４４号公報に
開示された方法では簡易に測定装置を作製することはで
きないという問題点があった。さらに、横ゼーマンレー
ザー装置を用いる関係上、実質的には測定光の波長は単
一に限定され、所望の波長における光弾性定数測定は不
可能であるという問題点があった。偏光光学系のレン
ズ、基板やプリズムなどに多く用いられる一般的な光学
ガラスの光弾性定数は分散を有し、波長によって異なっ
た値を示す。従って光弾性定数を波長依存性（波長分
散）を考慮して高精度に測定し、使用する光の波長にお
ける値を認識することは、偏光光学系を用いたシステム
を開発する上で必須と言える。しかし、特開平４−６４
４４号公報に開示された方法は、光弾性定数を波長分散
まで考慮して測定できないものであるので、好ましくな
い。

【０００８】透光性材料の光弾性定数を簡易にかつ波長
依存性（波長分散）をも含め測定できる方法とその実施
に好適な装置が望まれる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこでこの出願の光弾性
定数の測定方法の発明によれば、透光性を有する被測定
試料に、位相変調をかけた測定用の光を照射しかつ強さ
および方向が分かる状態の応力が生じるように外力を加
え、前記光照射および前記外力を加えた状態の前記被測
定試料を透過してくる光の偏光状態を検出することで求
まる複屈折量と、前記応力とに基づいて、前記被測定試
料の光弾性定数を測定することを特徴とする。

【００１０】この発明によれば、外力が加えられた状態
の被測定試料に位相変調をかけた光（以下、位相変調光
ともいう。）を照射するので、位相変調光は、光弾性効
果が生じた状態の被測定試料を透過することになる。そ
のため、例え被測定試料が通常状態では複屈折性を示さ
ないものであったとしても、この発明の方法による測定
時においては、光弾性効果に起因し複屈折性が生じてい
る状態の被測定試料を位相変調光は透過することにな
る。一方、特定の位相振幅及び周波数で位相変調をかけ
た測定用の光を被測定試料を透過させ、該透過光のうち
特定の偏光方向の交流（ω）成分及び直流（ＤＣ）成分
を検出してそれら結果を演算すると複屈折が測定できる
ことが知られている（例えば文献Ｉ：光学技術コンタク
トＶｏｌ．２７，Ｎｏ．３Ｐ．２７（１９８９。詳細は
後述する。）。さらにまた、被測定試料に応力を生じさ
せて光弾性効果を生じさせた場合に生じる複屈折から
は、前記応力が分かっていれば、光弾性定数が求まるこ
とも知られている。しかもこの発明の方法で測定される
複屈折は光弾性効果に起因するものであり、かつ、この
発明では被測定試料に生じる応力の方向および強さが分
かるように被測定試料に外力を加えている。したがっ
て、この発明の方法によれば、光弾性定数を求めること
ができる。

【００１１】またこの発明の場合は位相変調光を用いる
ことから光源は特に限定されない。これは光弾性定数の
波長依存性を測定したい波長光を少なくとも発生する帯
域の広い光源を用い、かつ、これを分光手段で所定波長
幅に分光して測定を行なえることを意味する。そのた
め、光弾性定数の波長依存性（光弾性定数の波長分散）
を簡易に測定出来る。

【００１２】また、この出願の光弾性定数の測定装置の
発明によれば、透光性を有する被測定試料の光弾性定数
を測定するための装置であって、光弾性定数の波長依存
性を測定したい波長光を少なくとも発生する光源と、該
光源の光を所定波長幅の光に分光する分光手段と、前記
分光光に位相変調をかけて測定光を生成し該測定光を前
記被測定試料に照射する位相変調手段と、前記被測定試
料に強さおよび方向が分かる状態で応力を加えるための
加圧手段と、前記応力が加えられた状態の被測定試料
を、回転軸が前記測定光の光軸に一致する状態で回転さ
せるための被測定試料回転手段と、被測定試料を透過し
てくる光を検出するための光検出手段と、該光検出手段
で検出される光に基づいて前記被測定試料の複屈折量を
算出する複屈折量算出手段と、前記算出された複屈折量
および前記応力に基づいて被測定用試料の光弾性定数を
算出する光弾性定数算出手段とを具えたことを特徴とす
る。

【００１３】この光弾性定数測定装置によれば、加圧手
段を具えるので被測定試料に強さおよび方向が分かる状
態で応力を生じさせることができる。さらに光源、分光
手段および位相変調手段を具えるので、応力を生じさせ
た状態の被測定試料に希望の波長の光でかつ位相変調を
かけた光を照射できる。さらに被測定試料回転手段、光
検出手段、複屈折量算出手段および光弾性定数算出手段
を具えるので、被測定試料の複屈折量を求めることと、
該求めた複屈折量と前記応力とから被測定試料の光弾性
定数を求めることができる。そのため、この出願に係る
光弾性定数の測定方法を容易に実施することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの出願の
光弾性定数測定方法および光弾性定数測定装置の実施の
形態について説明する。しかしながら説明に用いる各図
はこの発明を理解出来る程度に概略的に示してあるにす
ぎない。また、各図において同様な構成成分については
同一の番号を付して示し、その重複する説明を省略する
こともある。

【００１５】この実施の形態では、特定の位相振幅およ
び周波数で位相変調をかけた測定用の光を被測定試料に
照射する。しかも、被測定試料に生じる応力の大きさお
よび強さが分かるように被測定試料に外力を加えた状態
で上記の測定用の光を照射する。そして、上記光照射お
よび上記外力を加えた状態の被測定試料を透過してきた
透過光のうち、特定の偏光方向の交流（ω）成分及び直
流（ＤＣ）成分を検出してそれら結果を演算することに
より複屈折を測定する。そして、上記応力および複屈折
量から被測定試料の測定光に対する光弾性定数を求め
る。これについて図１を参照してもう少し具体的に説明
する。ここで図１はこの発明の光弾性定数測定方法を実
施する基本的な測定系例を示した図である。すなわち、
光源１１と、偏光子１３と、光弾性変調器（ＰＥＭ）１
５と、偏光面を偏光子１３に対して４５度回転させた検
光子１７と、光検出手段１９と、被測定試料２１に外力
を加えるための加圧手段２３とを具えた構成を示した図
である。構成成分１１〜１９は測定用の光の光軸に沿っ
てこの順に並べてある。また被測定試料２１は光弾性変
調器１５と検光子１７との間に挿入される。

【００１６】この測定系では、光源１１から発せられた
光は、偏光子１３によって直線偏光に変換され、更に光
弾性変調器１５により位相変調がかけられる。この光は
被測定試料２１に照射される。被測定試料を透過する光
は偏光面を偏光子１３に対して４５度回転させた検光子
１７を透過した後に光検出手段１９にて検出される。

【００１７】被測定試料２１が特定の方向に進相軸を持
つ複屈折性を有する試料である場合、該被測定試料２１
を測定光軸と垂直な面で回転させると、光検出手段１９
で検出される信号のω成分及びＤＣ成分は被測定試料２
１の回転角の関数として変化する。具体的には、光検出
手段１９で検出される光のω成分、ＤＣ成分をそれぞれ
をＩω（θ）、Ｉ_DC（θ）で表すとした場合、光弾性変
調器１５での変調周波数がω、変調振幅ＡがＡ＝１３
７．７９度であると、式（１）、式（２）に示す関係式
が成り立つ。なおこれら式（１）、式（２）は例えば文
献Ｉ（光学技術コンタクトＶｏｌ．２７，Ｎｏ．３，
Ｐ．２７（１９８９））に開示されている。

【００１８】

【数１】

【００１９】ただし式（１）、式（２）において、ρは
被測定試料２１の振幅透過率、Δφは被測定試料２１で
生じる複屈折（位相差）、Ｊ₁ （Ａ）はベッセル関数の
１次の係数、ｔは時間を示すものである。

【００２０】また上記の式（１）、式（２）の関係より
振幅透過率ρ、複屈折Δφはそれぞれ式（３）および式
（４）によって求められる。なおこれら式（３）、式
（４）についても例えば文献Ｉ（光学技術コンタクトＶ
ｏｌ．２７，Ｎｏ．３，Ｐ．２７（１９８９））に開示
されている。

【００２１】

【数２】

【００２２】ここにＩ_DC（０）はθ＝０のときの直流成
分であり、極大値をとる。またＩ_DC（π／４）、Ｉω
（π／４）はそれぞれθ＝（π／４）の時のＩ_DC，Ｉω
である。

【００２３】したがって、測定時に被測定試料２１を測
定光軸と垂直な面で回転させてＩ_DCが極大になる状態
と、その状態に対し試料２１をπ／４回転させた状態と
を生じさせ、各状態での検出器１９からの出力のω成分
及びＤＣ成分すなわちＩω（π／４）及びＩ_DC（０）、
Ｉ_DC（π／４）を測定し、これらを式（３）、式（４）
に代入すると、被測定試料の有する複屈折量を求めるこ
とができる。

【００２４】ここで上記のごとく複屈折量が求まる点は
既に説明したように例えば文献Ｉ等に記載されていると
ころである。しかしこの発明では加圧手段２３により被
測定試料に外力を加えた状態で上記複屈折量を測定す
る。すなわち光弾性効果に起因する複屈折量をこの発明
では測定する。ここで光弾性定数を一般的な形で説明す
ると、以下のようになる。

【００２５】応力が生じたときの透光性材料の屈折率は
いわゆる屈折率楕円体で表すことができ、この時、屈折
率楕円体の主屈折率軸は主応力軸に一致する。一般に主
屈折率をｎ₁ 、ｎ₂ 、ｎ₃ とそれぞれし、主応力をσ
₁ 、σ₂ 、σ₃ （それぞれ添字が共通なものは同一方向
にある）とそれぞれすると、これらの間には式（５）の
ごとき関係が成立する。

【００２６】

【数３】

【００２７】ここで、Ｃ₁ 、Ｃ₂ は光の波長および透光
性材料の物質に固有の定数、ｎ₀ は無応力のときの屈折
率である。

【００２８】また、透光性材料として広く用いられてい
る種々の光学ガラスは、応力に対して破壊直前まで弾性
体的性質を示すとされており、光学的にも上述の式
（５）を満足する性質、つまり応力の大きさに比例して
複屈折量も変化する性質を示すとされている。したがっ
てこのような透光性材料に光を入射する場合、その方向
が式（５）中のσ３と同一方向となるように座標を取れ
ば、入射光はそれぞれσ１、σ２方向の、すなわち互い
に振動面が直行する２つの直線偏光に分かれる。またこ
のように光が入射された透光性材料から光が出射する時
には、各主応力方向の屈折率差（ｎ１、ｎ２）が生じる
ため、これらの２つの直線偏光間には式（６）で表せる
ような複屈折量Δφが生じる。

【００２９】

【数４】

【００３０】ここで式（６）において、λは光の波長、
Ｌは透光性材料の光透過厚、Ｃ＝Ｃ１−Ｃ２は光弾性定
数と呼ばれる。

【００３１】更に既知の大きさのσ１＝０となる一軸性
応力を印加した場合を考えると、式（６）はΔφ＝（２
π／λ）・Ｃ・σ₂ ・Ｌとなるので、これをさらに光弾
性定数Ｃについての式に展開すると、下記の式（７）と
なる。

【００３２】

【数５】

【００３３】この式（７）から分かるように、光弾性定
数はこの発明の方法によって測定された複屈折量Δφ
を、被測定試料に生じている応力値と被測定試料の光透
過厚Ｌとで除することによって得ることができる。この
応力値と被測定試料の光透過厚Ｌとは、測定条件として
既知であるから、この発明の方法によれば光弾性定数を
求められることが分かる。しかも、光源１１として、光
弾性定数の波長依存性を測定したい波長光を少なくとも
発生する帯域の広い光源を用いることが可能である。そ
して、該光源の光を分光手段で所定波長幅に分光してそ
れを測定光として用いることができる。そのため、光弾
性定数の波長依存性を簡易に測定することが出来る。

【００３４】

【実施例】次に実施例によりさらにこの発明を説明す
る。なお、以下の実施例は一般に多く開発が行われてい
る可視域を中心とした波長域の光を用いる光学系を意識
したものであり、かつ、波長３００〜１０００ｎｍにお
ける光弾性定数の測定を可能にする例である。

【００３５】まず、本発明者が実施例において用いた光
弾性定数測定装置の構成を図２を参照して説明する。た
だし、図２において図１に示した構成成分と同様な構成
成分については同一の符号を付して示してある。

【００３６】実施例で用いた光弾性定数測定装置は、図
１のものと同様に、光源１１、偏光子１３、光弾性変調
器１５、検光子１７、光検出手段１９および加圧手段２
３を具える。

【００３７】ここで光源１１として、光弾性定数の波長
依存性を測定したい波長光を少なくとも発生する光源
（連続光源ともいう）を用いる。ここでいう連続光源と
は、完全に任意な波長ごとの光弾性定数の測定を考える
のであれば連続スペクトルを示す光源が必要であるが、
光弾性定数の測定を希望するいくつかの波長で輝線を示
す光源であれば連続スペクトルを示すものに限られな
い。ここでは各種放電管に比べて安定性がよく安価なハ
ロゲンランプを光源１１として用いた。なお図２におい
て、１１ａは光源１１を駆動するための電源を示す。

【００３８】光弾性変調器１５としてここではＰＥＭ−
９０（米国HINDS INSTRUMENTS 社製のもの）を用いた。
この光弾性変調器１５は媒体として石英ガラスを用いた
ものである。なお図２において、１５ａは光弾性変調器
１５に交流電圧を供給するための交流電圧発生装置を示
す。

【００３９】偏光子１３および検光子１７それぞれは、
より高い測定精度を得るためには消光比の大きいものが
好ましい。これに限られないが、ここでは消光比が１
０，０００：１のグラントムソンプリズムを用いた。

【００４０】光検出手段１９として、この場合は光電子
増倍管（フォトマルチプライヤ）であって可視から近紫
外域において感度が高い光電子増倍管を用いた。ただ
し、被測定試料２１のセッティングあるいは被測定試料
２１での測定光透過面の２面の平行度が悪い場合には、
該被測定試料２１を回転手段３５（後述する）で回転さ
せた際にビームにブレが生じて、受光面の感度ムラの原
因になる。そのようなときは、必要に応じて透過拡散
板、積分球等を、被測定試料２１と光電子増倍管１９と
の間に設けるのが良い。なお図２において、１９ａは光
電子増倍管１９を駆動するための電源、１９ｂは光電子
増倍管１９の出力を増幅するためのプリアンプをそれぞ
れ示す。

【００４１】加圧手段２３は、外力を被測定用試料に加
える加圧部２３ａと、被測定試料２１を保持する機能お
よび加圧部２３ａからの外力により被測定試料２１を加
圧出来る機能を有した保持部２３ｂと、加圧部２３ａか
らの外力の強さをモニターするための圧力／電圧変換器
（ロードセルとも呼ばれる）２３ｃと、圧力／電圧変換
器２３ｃを駆動するための電源２３ｄと、圧力／電圧変
換器２３ｃの出力電圧を検出する直流電圧計２３ｅとを
具えた構成の手段としてある。加圧手段２３のより具体
的な構成例を図３に示した。この図３に示した例では、
加圧部２３ａ、保持部２３ｂを筐体部２５ｆ（図２では
図示せず）に挿入した構成としてある。加圧部２３ａ、
保持部２３ｂおよび筐体２３ｆそれぞれを金属で構成し
てある。測定光の照射を妨げることがない方向から加圧
部２３ａを加圧すると、保持部２３ｂを介し被測定試料
２１に外力が加わるので、該被測定試料２１では圧縮応
力が生じる。被被定試料２１で応力が均一に生じるよう
に、被測定試料２１と保持部２３ｂとの間にはシリコン
ゴム２５ｇを挿入してある。

【００４２】さらにこの光弾性定数測定装置は、光源１
１から出た光を平行光にするためのコリメータ３１を、
光源１１と偏光子１３との間に具える。ハロゲンランプ
を光源として用いているので、レーザを光源とする場合
に比べてコリメータの性能が測定精度に大きく影響す
る。コリメータの選択に当たってはその点を考慮する。
またコリメータ３１は、任意の波長の光に対応するため
に、反射系のもの、また屈折系のものとするならズーム
機能を持つものとするのが望ましい。また迷光の問題が
懸念される場合は、光源１１と試料２１との間の任意の
位置に絞りを設けるのが良い。

【００４３】さらにこの光弾性定数測定装置は、光源１
１の光を所望波長幅の光に分光するための分光フィルタ
３３を、コリメータ３１と偏光子１３との間に具える。
分光フィルタ３３をどのような分光特性の分光フィルタ
とするかは、要求される波長精度、波長分解能などを考
慮して決める。ただし、光弾性変調器１５の媒体となっ
ている石英ガラスの光弾性定数の波長分散の影響を受け
ない程度の透過波長幅を持つ分光フィルタとする必要が
ある。この実施例では分光フィルタ３３を通過した後に
適当な光量が得られることも考え、中心波長の半値幅が
約１０ｎｍの分光特性を持った分光フィルタを用いた。
しかも、このような構成の分光フィルタであって中心波
長が異なる分光フィルタを多数用意し、これらを分光フ
ィルタ切換手段３３ａにより適時切り換えて使用できる
構成としてある。分光フィルタ切換手段３３ａは、例え
ば円板上の各位置が分光特性の異なる分光フィルタとな
っている円板をステッピングモータで適時切り換える等
の手段で構成することが出来る。

【００４４】さらにこの光弾性定数測定装置は、被測定
試料回転手段３５を具える。被測定試料回転手段３５と
は、被測定試料２１を加圧手段２３で加圧した状態で、
しかも、回転軸が測定光の光軸に一致する状態で回転さ
せるためのものである。例えばステッピングモータと好
適な回転機構とにより該手段３５を構成することが出来
る。

【００４５】さらにこの光弾性定数測定装置は、光電子
増倍管１９の出力（詳細にはプリアンプ１９ｂの出力）
から交流（ω）成分及び直流（ＤＣ）成分を分離するた
めのＡＣ／ＤＣ分離器３７と、光電子増倍管１９の出力
から分離されたω成分と交流電圧発生装置１５ａとのロ
ックイン状態を担保するロックインアンプ３９と、分離
されたＤＣ成分を測定する直流電圧計４１と、この光弾
性定数測定装置の制御部として機能するコンピュータ４
３とを具える。このコンピュータ４３には、光源用電源
１１ａ、分光フィルタ切換手段３３ａ、圧力／電圧変換
器用電源２３ｄ、被測定試料回転手段３５、ＤＣ電圧計
２３ｅ、ロックインアンプ３９、直流電圧計４１がそれ
ぞれ接続してある。

【００４６】この光弾性定数測定装置では、光検出手段
１９の出力と被測定試料回転手段３５での試料の回転角
度についての情報等とをパソコン４３が演算することに
より複屈折量を算出できる（複屈折量算出手段）。ま
た、加圧手段２１で印加される外力から求められる被測
定試料２１で生じる応力と、上記算出される複屈折量と
をパソコン４３が演算することにより光弾性定数を算出
できる（光弾性定数算出手段）。

【００４７】次に、光弾性定数の測定手順および測定結
果について説明する。先ず、被測定試料について説明す
る。被測定試料２１にて一軸性の均一な応力を生じさせ
るためには、図４に示したように、被測定試料２１の加
圧方向Ｐに沿う寸法ａに対し、加圧面を構成する各辺の
寸法ｂ，ｃをある程度大きくする必要がある。また、加
圧される面を構成する各辺ｂ，ｃのうち、測定光の光軸
Ｌに沿う寸法ここではｂの寸法は、測定光の透過厚であ
るので、大きくする程レターデーションが大きくなり測
定精度が向上する。一方、加圧される面を構成する各辺
ｂ，ｃの寸法を大きくしすぎると、効率良く被測定試料
に応力を生じさせることができなくなる。さらに、被測
定試料２１を加圧状態で回転する必要があるため被測定
試料２１は小さい方が回転機構が簡易になるので好まし
い。しかし、被測定試料２１を小さくするに従い測定光
のビーム径も小さくする必要が生じるが、測定光のビー
ム径を小さくし過ぎるとコリメータ３１の性質から測定
光の光量低下を余儀なくされ、その結果、測定精度を低
下させる原因になる。さらにビーム径が小さい程、測定
精度に対しホコリ等の影響が生じてくる。これらの理由
から被測定試料２１は直方体状であって上記ｂ，ａ，ｃ
の各寸法がｂ，ａ，ｃの順でいって１０×１５×２０ｍ
ｍとなった試料とした。また被測定試料２１における測
定光が照射される面および透過側の面それぞれ（ａ×ｃ
＝１５×２０で規定される２面）の平行度が悪いと、測
定時に被測定試料を回転させた際に測定光のビームのぶ
れが大きくなり、そのため光検出手段１９の感度ムラの
原因とる。したがって上記平行度はそれを抑制できるよ
うな平行度とする。これに限られないが、この実施例で
は上記平行度が１分となるように上記の２面を研磨して
被測定試料２１とした。

【００４８】一方、測定光のビーム径をコリメータ３１
により５ｍｍ程度に調整する。また分光フィルタ切換手
段３３ａを用いて分光フィルタ３３を所望の波長を透過
させ得るものに切り換える。また、光弾性変調器１５の
変調振幅Ａが１３７．７９度となり、かつ、変調周波数
ωが５０ＫＨｚとなるように、光弾性変調器１５を交流
電圧発生装置１５ａにより制御する。変調振幅Ａを１３
７．７９度としたのは、こうすると上記の式（１）、式
（２）の関係が満たされるからである。また変調周波数
ωを５０ＫＨｚとしたのは、こうすると光弾性変調器１
５で用いた媒体である石英ガラスの弾性変形の追従が良
いので、光電子増倍管１９を経由してくる信号をロック
インアンプ３９により検出し易いからである。交流電圧
発生装置１５ａは参照信号をロックインアンプ３９にも
送っている。

【００４９】被測定用試料２１を加圧手段２３により加
圧する。この際の加圧力は圧力／電圧変換器２３ｃの出
力に現れるので、これを直流電圧計２３ｅを介しコンピ
ュータ４３は取り込む。コンピュター４３はこの加圧に
より被測定試料に生じている応力を算出する。

【００５０】光電子増倍管１９の出力は、ＡＣ／ＤＣ分
離器３７でω成分およびＤＣ成分に分離される。ω成分
はロックインアンプ３９を介しコンピュータ４３に入力
され、ＤＣ成分は直流電圧計４１を介しかつ図示しない
Ａ／Ｄ変換器でディジタル信号に変換された後にコンピ
ュータ４３に入力される。コンピュータ４３は、光電子
増倍管１９からのω成分ならびにＤＣ成分と、被測定試
料２１を回転させた回転角の相関と、圧力／電圧変換器
２３ｃからの信号に基づいて算出した被測定試料での応
力とに基づいて、上記式（１）〜式（７）についての演
算をして、光弾性定数を算出する。

【００５１】具体的な測定結果を次に説明する。被測定
試料として４種類の被測定試料１〜４を用意した。内部
歪みが残留していると測定精度を低下させる原因となる
ので、光弾性定数の測定をする前に、これら被測定試料
にアニールをそれぞれ施した。なおこれら被測定試料は
光学ガラスの中でも比較的光弾性定数が小さいとされて
いるものを選択した。具体的には被測定試料１および２
それぞれは、ＰｂＯ（酸化鉛）の含有量が高いフリント
系ガラスであり、被測定試料３および４はフッ化物リン
酸塩系のガラスである。

【００５２】まず、被測定試料１を用いる。そして被測
定試料１に外力を加えた状態（被測定試料に応力を生じ
させた状態）で、かつ、この被測定試料を回転手段３５
により回転させながら、被測定試料の透過光を検出手段
１９で検出する。しかも、この検出光についてのω成分
Ｉω（θ）およびＤＣ成分Ｉ_DC（θ）すなわち、上述し
たＩ_DC（０）、Ｉ_DC（π／４）およびＩω（π／４）を
それぞれ測定する。なお被測定試料に印加する外力は、
ここでは被測定試料で生じる応力がゼロから約５０Ｎ／
ｃｍ² の間で６水準となるように、設定した。次に、上
記測定で得られたＩω（θ）およびＩ_DC（θ）と上記の
式（３）、式（４）とに基づいて、被測定試料で生じて
いる複屈折をそれぞれ算出する。またこの一連の処理
を、測定光として種々の波長の光、具体的には中心波長
が３６５ｎｍ、４０５ｎｍ、４３５ｎｍ、５１０ｎｍ、
６３５ｎｍの各光を用いた場合それぞれについて行なっ
た。なお、Ｉ_DC（０）を与える角度が既知である場合
は、透過光測定は被測定試料を回転手段３５により回転
させながら行なう必要はない。この既知の角度で透過光
を測定し、その位置からπ／４ずれた角度に試料を回転
させた後に、再び透過光を測定するというようにしても
良い。

【００５３】次に、算出された複屈折と応力とを用いか
つ最小二乗法を用いて、両者の関係の近似直線を作成す
る。図５にこの近似直線と、上記求めた複屈折量とを併
せて示した。ただし図５では、横軸に被測定試料で生じ
ている応力（Ｎ／ｃｍ² ）をとり、縦軸に複屈折（ｎｍ
／ｃｍ）をとってある。また図５において、黒塗り四角
印は測定光として中心波長が３６５ｎｍの光を用いたと
きのもの、黒塗り丸印は測定光として中心波長が４０５
ｎｍの光を用いたときのもの、黒塗り三角印は測定光と
して中心波長が４３５ｎｍの光を用いたときのもの、黒
塗り菱形印は測定光として中心波長が５１０ｎｍの光を
用いたときのもの、白抜き四角印は測定光として中心波
長が６３５ｎｍの光を用いたときのものである。

【００５４】図５から分かるようにいずれの波長につい
ても、応力と複屈折との関係は直線に近似できた。ま
た、いずれの近似直線もＲ² （平均二乗誤差）＝０．９
９８〜０．９９６の誤差のものであった。また、同様な
測定を再度行なったときの測定の再現性も非常に高かっ
た。ここで、上記の（６）式中のΔφが複屈折であり、
σ₂ −σ₁ が応力であるから、図５に示した各近似直線
の傾きは各波長ごとの光弾性定数といえる。そして特筆
すべきことは、ここで得られた直線がいずれもＲ² （平
均二乗誤差）＝０．９９８〜０．９９６であるから、こ
の発明の測定方法によれば、応力の大小にかかわらず光
弾性定数を高い精度で測定できるということである。例
えば、Ｒ² ＝０．９９６としても０．４％程度のバラツ
キで光弾性定数を測定出来るといえる。したがって、光
弾性定数が０．０５ｃｍ² ／Ｎ程度と小さな場合であっ
ても０．４％程度のバラツキで光弾性定数の測定ができ
るといえる。これは、特開平４−６４４４号公報に開示
された方法と同程度であると言える。ただし、特開平４
−６４４４号公報に開示された方法ではガラスなどのよ
うな通常は複屈折性を示さない透光性材料の複屈折性を
測定出来ないが、本発明によればそれが可能になる。

【００５５】次に、上記４種の被測定試料それぞれにつ
いて光弾性係数をこの発明に係る測定方法によりそれぞ
れ実測する。そして光の波長に対する光弾性定数の変化
をプロットしてみた。その結果を図６に示した。図６か
ら、光学ガラスの光弾性定数の分散は、光学ガラスの組
成の違いによって大きく異なることがわかる。しかも波
長によって光弾性定数が大きく変化するガラスが存在す
ることがわかる。これは、高精度な偏光の制御を必要と
する光学系では、実際に使用する波長における透過性材
料の光弾性定数を設計に反映させる必要があることを明
確に示唆している。そして、本発明の方法を用いると、
光学系を設計するに当たり光弾性定数の波長依存性を考
慮した設計をも容易に行なえる。

【００５６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は、
光弾性定数を測定するに当たり、位相変調をかけた測定
光を用いて複屈折を測定する方法（光弾性変調法）と、
被測定試料を加圧する方法とを利用するので、透光性を
有する被測定試料の光弾性定数を従来よりも高精度に且
つ所望の光の波長について簡易に測定できるものであ
る。種々の透過性材料について本発明による測定を行
い、分散特性も含めた、光弾性定数を詳細に測定するこ
とによって、高精度に制御された偏光を用いた光学系に
用いる光学ガラスの開発、選定に役立てることができ
る。また、同光学系を用いた装置の開発にあたって、種
々の原因でガラスに働く応力をどの程度抑制するべき
か、と言った仕様を与えることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の光弾性定数測定方法の基本的な考え
を説明する図である。

【図２】光弾性定数測定装置の実施例の説明図である。

【図３】加圧手段の説明図である。

【図４】被測定試料の説明図である。

【図５】実施例の説明図であり、特に、測定光の波長を
パラメータとしたときの応力と複屈折との関係を示した
図である。

【図６】実施例の説明図であり、特に、組成が異なる試
料毎の測定光波長と光弾性定数との関係を示した図であ
る。

【符号の説明】

１１：光源１３：偏光子１５：光弾性変調器１７：検光子１９：光検出手段（光電子増倍管）２１：被測定試料２３：加圧手段２３ａ：加圧部２３ｂ：保持部（被測定試料保持部）２３ｃ：圧力／電圧変換器２３ｄ：圧力／電圧変換器用電源２３ｅ：直流電圧計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透光性を有する被測定試料に、位相変調
をかけた測定用の光を照射しかつ強さおよび方向が分か
る状態の応力が生じるよう外力を加え、前記光照射および前記外力を加えた状態の前記被測定試
料を透過してくる光の偏光状態を検出することで求まる
複屈折量と、前記応力とに基づいて、前記被測定試料の
光弾性定数を測定することを特徴とする光弾性定数の測
定方法。
【請求項２】透光性を有する被測定試料に、位相変調
をかけた測定用の光を照射しかつ強さおよび方向が分か
る状態の応力が生じるよう外力を加え、前記光照射および外力を加えた状態の前記被測定試料を
回転軸が前記測定光の光軸に一致する状態で回転させ
て、該被測定試料を前記光に対し少なくとも２つの状態
で対向させ、各状態での被測定試料を透過してくる光を
検出し、該検出した光に基づいて前記被測定試料の複屈折量を算
出し、該算出した複屈折量と前記応力とに基づいて前記被測定
試料の光弾性定数を測定することを特徴とする光弾性定
数の測定方法。
【請求項３】請求項１または２に記載の光弾性定数の
測定方法において、光弾性定数の波長依存性を測定したい波長光を少なくと
も発生する光源を用い、該光源からの光を分光手段により所定波長幅の光に分光
しそれに位相変調をかけて前記測定用の光を生成し、該生成した測定光により前記光弾性定数の測定を実施
し、これら一連の処理を前記波長依存性を測定したい各波長
についてそれぞれ行なうことを特徴とする光弾性定数の
測定方法。
【請求項４】請求項３に記載の光弾性定数の測定方法
において、前記光源としてハロゲンランプを用いることを特徴とす
る光弾性定数の測定方法。
【請求項５】透光性を有する被測定試料の光弾性定数
を測定するための装置であって、光弾性定数の波長依存性を測定したい波長光を少なくと
も発生する光源と、該光源の光を所定波長幅の光に分光する分光手段と、前記分光光に位相変調をかけて測定光を生成し該測定光
を前記被測定試料に照射する位相変調手段と、前記被測定試料に強さおよび方向が分かる状態の応力が
生じるように外力を加えるための加圧手段と、前記外力が加えられた状態の被測定試料を、回転軸が前
記測定光の光軸に一致する状態で回転させるための被測
定試料回転手段と、被測定試料を透過してくる光を検出するための光検出手
段と、該光検出手段で検出される光に基づいて前記被測定試料
の複屈折量を算出する複屈折量算出手段と、前記算出された複屈折量および前記応力に基づいて被測
定用試料の光弾性定数を算出する光弾性定数算出手段と
を具えたことを特徴とする光弾性定数測定装置。
【請求項６】請求項５に記載の光弾性定数測定装置に
おいて、前記光源をハロゲンランプとしたことを特徴とする光弾
性定数測定装置。