偏光イメージングカメラを利用した偏光解析装置
【課題】顕微鏡にエリアセンサを設けて被測定物の偏光特性の面内での二次元分布を測定する際に、顕微鏡の倍率を容易に上げることができるようにする。
【解決手段】エリアセンサとして画素ごとに方位の異なる偏光素子を形成した偏光イメージングカメラを用い、被測定物にある方位の直線偏光を照射して透過光又は反射光の強度を検出する。偏光素子の偏光方位が異なる複数の偏光素子をもつＣＣＤ素子の検出光強度から楕円偏光を表現する下記の式に含まれる未知数Ｉ0，ψ及びＣを決定した後、θを０°から１８０°まで変化させたときのＩ（θ）の最小値、最大値及び最大値を与えるθmaxから偏光特性を求め、その操作を二次元的に繰り返す。
Ｉ（θ）＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝
【解決手段】エリアセンサとして画素ごとに方位の異なる偏光素子を形成した偏光イメージングカメラを用い、被測定物にある方位の直線偏光を照射して透過光又は反射光の強度を検出する。偏光素子の偏光方位が異なる複数の偏光素子をもつＣＣＤ素子の検出光強度から楕円偏光を表現する下記の式に含まれる未知数Ｉ0，ψ及びＣを決定した後、θを０°から１８０°まで変化させたときのＩ（θ）の最小値、最大値及び最大値を与えるθmaxから偏光特性を求め、その操作を二次元的に繰り返す。
Ｉ（θ）＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶パネルの画素ごとの透過光の状態を解析する場合、プリズムシートのように表面に微細加工を施されたシートに直線偏光を入射させたときの透過光の状態を解析する場合、光ディスク反射光の偏光状態を解析する場合又は生物細胞を偏光観察する場合等で、被測定物を顕微鏡によって拡大し、かつ被測定物の各部からの透過光又は反射光の楕円率と楕円方位角とを求めて二次元分布図として表示する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な偏光解析方法の１つに、偏光子と検光子それぞれの偏光軸を平行に配置し、偏光子と検光子との間に被測定物を置き、偏光子と検光子とを平行ニコル状態を保って回転させ、そのときの透過光強度変化から被測定物の主屈折率方位とレターデーションとを求める方法（平行ニコル回転法）がある。また別の方法に、被測定物に直線偏光を照射し、検光子を回転させたときの透過光強度変化から被測定物のレターデーションを求める方法（回転検光子法）がある。これらの測定法において、ＣＣＤカメラ等のエリアセンサを検出器として用い、ＣＣＤカメラの画素ごとに各測定値を求めれば、それらを二次元分布図に描くことができる。
【０００３】
また、レーザのように小さなスポット径をもつ光で測定を行い、測定光又は被測定物を二次元的に移動しながら多数の点を測定することにより、測定値を二次元分布として描くこともできる。
【特許文献１】特許第２９２４９３８号公報
【特許文献２】特許第３５３９００６号公報
【特許文献１】特開平５−２０９８２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の従来技術のＣＣＤカメラ等のエリアセンサを利用する方法で微小な被測定物を測定する場合、一般的にＣＣＤカメラを顕微鏡に取り付ける。しかし、平行ニコル回転法と回転検光子法のいずれの場合も測定系に回転可能な検光子を設ける必要があるので、顕微鏡の対物レンズの前に検光子を設置するにはレンズの焦点距離と検光子を設置するための寸法的制約の問題から、高倍率の顕微鏡は利用できない。したがって、顕微鏡の拡大倍率は最大でも十数倍程度に制限され、寸法が１ｍｍ程度以下の微小な被測定物の面内の分布測定は困難であった。
【０００５】
また、レーザのように小さなスポット径をもつ光を用いて測定する場合も、そのスポット径は０．１ｍｍ程度あるため、寸法が１ｍｍ程度以下の被測定物全体を二次元分布として測定するには十分に小さいスポット径とは言えない。
【０００６】
本発明は顕微鏡にＣＣＤカメラ等のエリアセンサを設けて被測定物の偏光特性の面内での二次元分布を測定する際に、顕微鏡の倍率を容易に上げることのできる偏光解析装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の偏光解析装置は、被測定物を観察する光学顕微鏡と、光学顕微鏡に載置された被測定物に直線偏光を照射する照射光学系と、隣接する画素間で互いに方位の異なる偏光軸をもつ偏光素子が各画素の光入射側に設けられている受光部をもち、光学顕微鏡において被測定物からの反射光又は透過光を受光する位置に配置された偏光イメージングカメラと、偏光イメージングカメラの各画素による検出光強度をデータとして取り込み、被測定物の偏光特性の二次元的な分布を算出する演算処理部と、演算処理部により算出された被測定物の偏光特性の二次元的な分布を表示する表示部と、を備えている。
【０００８】
そして、演算処理部は、図３に示されるように、偏光イメージングカメラからの検出光強度データを保持するデータメモリ１２と、偏光イメージングカメラの受光部における隣接する複数の画素で互いに方位の異なる偏光軸をもつ偏光素子が設けられている複数の画素による検出光強度データを含む１組のデータをデータメモリ１２から読み出し、それらのデータを使って、偏光イメージングカメラの受光部の偏光素子を検光子としたときのその偏光方位と検出光強度との関係を表す関係式を算出する関係式算出部１６と、関係式算出部１６で求められた関係式に基づいてそれらの１組のデータを与えた被測定物上の位置での偏光特性を算出する偏光特性算出部１８と、被測定物上の複数の位置について偏光特性の算出を行って被測定物の偏光特性の二次元的な分布を得るように関係式算出部による前記データメモリからのデータの読出し動作を制御する二次元分布測定制御部２０と、を備えている。
【０００９】
微小な被測定物にある方位の直線偏光を照射し、そのときの透過光又は反射光を光学顕微鏡に取り付けた偏光イメージングカメラで画像として取り込む。偏光イメージングカメラではＣＣＤなどの受光素子からなる画素ごとに偏光素子が設けられており、それらの偏光素子の偏光軸が隣接する画素間で互いに方位が異なるように、例えば４５°ずつ異なるように設定されているので、それらの偏光素子が回転検光子法における検光子に代わる働きをする。そのため顕微鏡の対物レンズと被測定物との間に検光子を配置する必要がなくなる。
【００１０】
演算処理部での具体的な演算方法を示すと、偏光イメージングカメラの各画素の光入射側に設けられている検光子としての偏光素子の偏光度が高い場合は、その偏光素子の偏光方位θと検出光強度Ｉ（θ）との間の関係式は次式、
Ｉ（θ）＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）
により表されるものであり、関係式算出部１６はその式中のＩ0,ψ，Ｃを算出するものであり、偏光特性算出部１８では式Ｉ（θ）の最小値＝Ｉmin、最大値＝Ｉmax及び最大値を与えるθ＝θmaxを算出し、偏光特定として楕円率（Ｉmin ／Ｉmax ）1/2と、楕円方位角θmaxを求める。ここで、Ｃ＝ｃｏｓ(２πＲ/λ)、θは検光子の回転角度、Ｉ0 は最大検出光強度、ψは入射直線偏光の透過軸と被測定物の遅相軸とのなす角度、λは測定波長、Ｒは被測定物のレターデーションである。
【００１１】
一方、偏光イメージングカメラの各画素の光入射側に設けられている検光子としての偏光素子の偏光度が低い場合は、その偏光素子の吸収軸方向の検出光を考慮に入れた解析を行うことにより、偏光度の高い偏光素子で解析したときと同じ結果を導き出すようにする。その場合、具体的な方法では、その偏光素子の偏光方位θと検出光強度Ｉ（θ）との関係は次式、
Ｉｔ（θ）＝Ｉａ（θ）＋Ｉｂ（θ）
として表されるものであり、Ｉａ（θ）は検光子の透過軸方向の検出光強度、Ｉｂ（θ）は検光子の吸収軸方向の検出光強度で、それぞれ
Ｉａ（θ）
＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝
Ｉｂ（θ）
＝Ｉ0Ｔ｛ｃｏｓ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）
＋Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝
として表されるものであり、関係式算出部１６ではＩｔ（θ）の式を偏光素子の偏光方位θと検出光強度Ｉ（θ）との間の関係式として用いて式中のＩ0，ψ，Ｃを算出し、偏光特性算出部１８では式Ｉａ（θ）を用いて、その最小値＝Ｉmin、最大値＝Ｉmax及び最大値を与えるθ＝θmaxを算出し、偏光特性として楕円率（Ｉmin／Ｉmax）1/2と楕円方位角θmaxを求める。この場合も、Ｃ＝ｃｏｓ(２πＲ/λ)、θは検光子の回転角度、Ｉ0は最大検出光強度、ψは入射直線偏光の透過軸と被測定物の遅相軸とのなす角度、λは測定波長、Ｒは被測定物のレターデーション、Ｔ＝τ2（τは検光子の透過軸に対する吸収軸の振幅透過率である。）である。
【００１２】
さらに、偏光イメージングカメラの画素ごとの暗電流及び感度の補正を、暗視野及び２つの異なる照度条件での光量取り込み値をもとに行ってデータメモリ１２に保持された検出光強度データを補正するデータ補正部１４をさらに備えていてもよい。その場合には、偏光イメージングカメラの画素の暗電流又は感度にばらつきがあっても、被測定物の偏光特性の正確な二次元分布を得ることができるようになる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の偏光解析装置では、被測定物を直線偏光で照射し、被測定物からの反射光又は透過光を光学顕微鏡を介して偏光イメージングカメラで受光し、偏光イメージングカメラの各画素による検出光強度データから被測定物の偏光特性の二次元的な分布を算出するようにしたので、顕微鏡の対物レンズと被測定物との間に検光子を配置する必要がなくなり、従来よりも拡大倍率の大きい光学顕微鏡が適用可能になり、今まで測定が困難であった微小面積の被測定物であっても、十分な空間分解能で偏光状態の二次元分布を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［実施例１］
図１は、本発明の装置を透過測定に適用した一実施例の概略構成図である。光学顕微鏡４の試料台に被測定物３が載置される。試料台に載置された被測定物３に直線偏光を照射する照射光学系として、試料台の下方に光源１と偏光子２が配置されている。光源１は、例えばハロゲンランプの光をライトガイドで導いた発光源、又は白色ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた光源であり、偏光子２は偏光軸の方位が変えられるように回転可能な構造になっている。偏光子２を透過した光が直線偏光となって被測定物３に裏面側から照射される。
【００１５】
光学顕微鏡４において被測定物３からの反射光又は透過光（この場合は透過光であるが、照射光学系の配置を試料台の上方に配置することにより反射光になる。）を受光する位置に偏光イメージングカメラ５が配置されている。偏光イメージングカメラ５の受光部は、図２に示されるように、隣接する画素間で互いに方位の異なる偏光軸をもつ偏光素子が各画素の光入射側に設けられている。図２は受光部の一部で、横方向に６個の画素、縦方向に４個の画素が配列された２４個の画素を含む部分を示している。各画素はＣＣＤ素子であり、矢印は各ＣＣＤ素子の光入射側に配置された偏光素子の偏光方位を表している。この例では、ＣＣＤの隣接する素子に対して４５°ずつ偏光方位を異にした偏光素子が配設されており、隣接する４個で１組のＣＣＤ素子によって０°，４５°，９０°及び１３５°方位の偏光方位に対応した光量を取り込むことができる。
【００１６】
偏光イメージングカメラ５としては、具体的にはフォトニック結晶技術を利用した偏光イメージングカメラ（例えば、フォトニックラティス社製のカメラ）が利用できる。そのような偏光イメージングカメラは、偏光特性を発現する波長帯域が限定されるため、その波長帯域のみを測定に使用するようにＣＣＤカメラ内にバンドパスフィルタが取り付けてある。
【００１７】
偏光イメージングカメラ５の各画素による検出光強度をデータとして取り込み、被測定物３の偏光特性の二次元的な分布を算出するために演算処理部６が接続されている。演算処理部６は図３に示される機能を果たすものであり、マイクロプロセッサ、マイクロプロコンピュータ又は汎用のパーソナルコンピュータにより実現される。
演算処理部６により算出された被測定物３の偏光特性の二次元的な分布を表示するために、演算処理部６にはＬＣＤ（液晶表示装置）などの表示部７が接続されている。
【００１８】
この実施例の動作を図３、図４も参照して説明する。
被測定物３に、ある方位の直線偏光を照射し、偏光イメージングカメラ５の受光部のＣＣＤ素子による検出光強度をデータとして取り込み、ＲＡＭなどの記憶装置からなるデータメモリ１２に検出光強度データとして記憶する（ステップＳ１，Ｓ２）。
【００１９】
（未知数Ｉ0、ψ及びＣの決定）
関係式算出部１６では、偏光イメージングカメラ５の受光部における隣接する複数の画素で互いに方位の異なる偏光軸をもつ偏光素子が設けられている複数の画素による検出光強度データを含む１組のデータをデータメモリ１２から読み出し、それらのデータを使って、それらの偏光素子を検光子としたときのその偏光方位と検出光強度との関係を表す関係式を算出する（ステップＳ３）。具体的には次のように行う。
【００２０】
検光子を回転したときに検出する透過光又は反射光の検出光強度をＩ（θ）とすると、検光子の偏光方位θと検出光強度Ｉ（θ）との間の関係式は一般的に次式（１）で表される（特許文献１，２参照。）。実施例では、検光子を回転させる代わりに、隣接する複数の画素のＣＣＤ素子であって、偏光方位の異なる偏光子を備えたＣＣＤ素子からの検出光強度データを使用する。
Ｉ（θ）
＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−φｐ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−φｐ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−φｐ−ψ）｝ （１）
【００２１】
ここで、Ｃ＝ｃｏｓ(２πＲ/λ)、θは検光子の回転角度、Ｉ0 は最大検出光強度、ψは入射直線偏光の透過軸と被測定物の遅相軸とのなす角度、φｐは入射直線偏光の透過軸方位、λは測定波長及びＲは被測定物のレターデーションである。今の目的は、θ＝０°，４５°，９０°，１３５°の４つの光量取り込み値から式中の未知数Ｉ0 、ψ、Ｃを決定した後に、図５に示すＩ（θ）の図形を再現し、θを０°から１８０°まで変化させたときの最大値Ｉmax、最小値Ｉmin及び最大値を与える角度θmaxを求めることである。Ｉ（θ）の図形を再現するにはφｐはいくらでもよく、必ずしも実際の測定条件の入射直線偏光方位である必要はない。そこで簡単のために常にφｐ＝０と置く。特許請求の範囲及び明細書の他の説明においてもφｐ＝０と置いて、φｐの記載を省略している。さらにここではレターデーションＲも求める必要はないので波長λを具体的に考える必要がない。
【００２２】
θ＝０°，４５°，９０°，１３５°の４つの検出光強度Ｉ（θ）取込み値（Ｉ（θ）としては、以下に示す（２）式で補正されたＩ’（θ）を用いる。）をデータメモリ１２から読み出し、それを基に数値演算、例えば既知のカーブフッイティング法を行って３つの未知数Ｉ0、ψ及びＣ（ただし、−１≦Ｃ≦１）の各値を決定する。カーブフッイティング法については、例えば特許文献３を参照する。
【００２３】
データメモリ１２に保持されたＩ（θ）の数値は、データ補正部１４により予め以下の手順でＣＣＤの画素ごとの補正処理を行ってから数値演算に持ち込む。まず、光学顕微鏡４の対物レンズに不透明のキャップをかぶせた状態で暗視野の検出光強度ＩB（θ）を取り込む。次に、検出光強度が２つの状態、例えば２５６階調のＣＣＤカメラの場合、被測定物を置かない状態で光源の強さを変えて検出光強度値が１００程度と２００程度になるようにし、それぞれの状態で光強度を取り込み、それらをＩ1（θ）とＩ2（θ）とする。被測定物を測定したときの検出光強度をＩ（θ）、さらにＩ1 （θ）及びＩ2 （θ）の全画素の平均値をそれぞれＩAVE1及びＩAVE2として、次の式（２）によってＩ（θ）を補正する。
この補正したＩ’（θ）の数値をＩ（θ）として数値演算を行う。
【００２４】
（偏光特性の算出）
偏光特性として偏光の楕円率と楕円方位角を算出する（ステップＳ４）。
具体的には、関係式算出部１６で求められた未知数Ｉ0、ψ及びＣを（１）式に当てはめ、図５に示すＩ（θ）の図形を再現する。その再現された図形に基づいて、θを０°から１８０°まで変化させたときの最大値Ｉmax、最小値Ｉmin及び最大値を与える角度θmax を求め、偏光特性として（Ｉmin／Ｉmax）1/2 を楕円率、θmaxを楕円方位角とする。
【００２５】
（二次元分布測定）
二次元分布制御部２０は、偏光特性の二次元分布を測定する（ステップＳ５，Ｓ６）ようにデータメモリ１２から関係式算出部１６へのデータ読出しを制御する。そのために、図２において、４５°ごとに偏光方位の異なる隣接する４つのＣＣＤ素子を１組とし、その組をまず１素子分ずつ横にずらしながら演算処理をし、次に１素子分縦にずらした後、再度１素子分ずつ横にずらしながら全画面を処理する。この場合は、空間分解能は元のＣＣＤカメラの取り込み画面の１画素と同じになる。
【００２６】
高分解能のＣＣＤカメラは１００万画素前後あり、演算処理に時間がかかる場合は、４つの画素の組を縦横に２画素分ずつずらせば演算数はもとの１／４になる。このとき、空間分解能は元の取り込み画面における２画素分の寸法になる。さらに、演算時間を短縮する場合は、図２において、縦４画素×横４画素の１６画素を１組にし、その中の同じ方位の偏光成分の光量を合計又は平均した値を演算処理に持ち込めば、処理時間は元の１／１６になり、元の画面の４画素分の寸法が空間分解能になる。
【００２７】
二次元分布の測定が完了したら、求めた偏光特性としての楕円率（Ｉmin ／Ｉmax ）1/2と楕円方位角θmaxを数値として、又は色分けもしくは濃淡によって表示部７に二次元表示する（ステップＳ７）。
【００２８】
［実施例２］
フォトニック結晶技術で作製された偏光素子は、偏光特性を発現する波長域が限定されるだけでなく、十分な偏光度を有しているとは限らない。そこで、偏光イメージングカメラに取り付けられた偏光素子の偏光度が低く、検出光強度に対して吸収軸方向の検出光を無視できない場合を実施例２として説明する。
【００２９】
図６は、検光子の透過軸方向の検出光の振幅ベクトルを説明する図であり、ＰＰ'は入射直線偏光の軸、ａａ’、ｂｂ’はそれぞれ被測定物の遅相軸、進相軸、ＡＡ’は検光子の透過軸を表し、入射直線偏光の振幅をＡとしたとき各軸方向の振幅は以下のようになる。
Ａ1＝Ａｃｏｓψ
Ａ2＝Ａｓｉｎψ
Ａ1≡＝Ａ1ｃｏｓ（θ−ψ）＝Ａｃｏｓψｃｏｓ（θ−ψ）
Ａ2≡＝Ａ2ｓｉｎ（θ−ψ）＝Ａｓｉｎψｓｉｎ（θ−ψ）
【００３０】
検光子の透過軸方向の検出光強度をＩa（θ）とすると、前述Ｉ（θ）の式（１）と同じで次のように表される。
Ｉａ（θ）＝Ａ1≡2＋Ａ2≡2＋２Ａ1≡Ａ2≡ｃｏｓδ
＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝ （３）
ただし、Ｃ＝ｃｏｓδ、Ｉ0＝Ａ2である。
【００３１】
図７は、検光子の吸収軸方向の検出光の振幅ベクトルを説明する図であり、ＰＰ'は入射直線偏光の軸、ａａ’、ｂｂ’はそれぞれ被測定物の遅相軸、進相軸、ＢＢ’は検光子の吸収軸を表し、入射直線偏光の振幅をＡ、検光子の透過軸に対する吸収軸の振幅透過率をτとしたとき、各軸方向の振幅は以下のようになる。
Ａ1＝Ａｃｏｓψ
Ａ2＝Ａｓｉｎψ
Ａ1”＝τＡ1ｓｉｎ（θ−ψ）＝τＡｃｏｓψｓｉｎ（θ−ψ）
Ａ2”＝−τＡ2ｃｏｓ（θ−ψ）＝−τＡｓｉｎψｃｏｓ（θ−ψ）
【００３２】
検光子の吸収軸方向の検出光強度をＩｂ（θ）とすると、次のように表される。
Ｉｂ（θ）＝Ａ1”2＋Ａ2”2＋２Ａ1”Ａ2”ｃｏｓδ
＝Ｉ0Ｔ｛ｃｏｓ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）
＋Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝ （４）
ただし、Ｃ＝ｃｏｓδ、Ｉ0＝Ａ2、Ｔ＝τ2である。
【００３３】
したがって、検光子の吸収軸方向の透過光が無視できない程度に偏光度が低いとき、検出される光の強度Ｉｔ（θ）は、
Ｉｔ（θ）＝Ｉａ（θ）＋Ｉｂ（θ） （５）
となる。例えば、被測定物として直線偏光板を測定した場合、偏光度が十分に高い検光子を用いて測定したとき、検出光強度図形は図８のＩａ（θ）のようになる。一方、偏光度が低い検光子を用いて測定したときは、検出光強度図形はＩａ（θ）にＩｂ（θ）が加算されて図８のＩｔ（θ）のようになる。そのため、その検出光強度の測定値Ｉｔ（θ）を基にして楕円率を算出しても０にはならず、偏光板を測定した結果にはならない。
【００３４】
この実施例では、検光子の偏光度が低い場合も検出光強度Ｉｔ（θ）の式中の未知数はＩ0、Ｃ、ψであるので、あらかじめ検光子の透過軸方向に対する吸収軸方向の透過率Ｔを調べておき定数として扱うことによって、偏光方位の異なる４つ検出光強度取り込み値から数値演算によって未知数Ｉ0、Ｃ及びψを決定する。吸収軸方向の透過率Ｔは、例えば直線偏光板を被測定物として測定したときに、測定値として得られる楕円率ができるだけゼロになるようにＴの値を少しずつ変えながら探し出せばよい。そして、３つの未知数が決定できれば、十分に偏光度の高い検光子を用いて測定したとした場合の検出光強度に相当する項はＩａ（θ）であるから、Ｉa（θ）の最小値＝Ｉamin、最大値＝Ｉamax及び最大値を与えるθ＝θamaxを算出し、（Ｉamin／Ｉamax）1/2 を楕円率、θamaxを楕円方位角とする。
【００３５】
すなわち、この実施例では、関係式算出部１６ではＩｔ（θ）の式（５）を用いて式中のＩ0，ψ，Ｃを算出し、偏光特性算出部１８ではＩａ（θ）の式（３）を用いて、その最小値＝Ｉmin、最大値＝Ｉmax及び最大値を与えるθ＝θmaxを算出し、（Ｉmin／Ｉmax）1/2を楕円率、θmaxを楕円方位角とする。
【００３６】
偏光状態の表現方法の1つにポアンカレ球が利用される。図９は実際に偏光イメージングカメラを用いて、直線偏光板を測定したときの偏光状態をポアンカレ球の赤道面への投影図で表したもので、偏光イメージングカメラの偏光度が十分高いと仮定して評価した場合（ａ）と、偏光度が低いとして上記の［実施例２］の方法により吸収軸方向の透過率を取り入れて補正した場合（ｂ）のそれぞれの結果の比較である。図９において中心は円偏光(楕円率＝１)を表し、最外周の円は楕円方位角の異なる直線偏光(楕円率＝０)を表す。偏光イメージングカメラの偏光度が十分高いと仮定して評価した場合の結果（ａ）は、直線偏光板を測定したにもかかわらず楕円率が０．４程度になって直線偏光板を測定した正しい結果とは言えない。一方、吸収軸方向の透過率を取り入れて補正した場合の結果（ｂ）は、外円周に近いところに測定点が集まってほぼ楕円率が０になっており、直線偏光を測定したとみなせるよい結果が得られている。
【００３７】
図１０は、ＴＦＴ型液晶ディスプレイの視認側の偏光板と位相差板を剥がした状態で、Ｂ（ブルー）のサブピクセルに電圧を印加、Ｇ（グリーン）のサブピクセルに電圧を無印加の条件にしたときの、透過光の偏光状態を光学顕微鏡を用いて測定したときの偏光イメージングカメラの取り込み画像である。なお、Ｒ（レッド）のサブピクセルは偏光イメージングカメラの波長特性上、観察することができない。液晶ディスプレイのその２つのサブピクセルを顕微鏡で拡大して偏光イメージングカメラの受光部上では枠で囲んだ約２１８μｍ×１３７μｍの大きさにし、そのエリア内を空間分解能０．５μｍの条件で測定した。このとき、液晶ディスプレイのバックライトが光源となり、さらに液晶セルのバックライト側には偏光板が貼合されているため、図１の装置構成図における光源及び偏光子は使用しない。
【００３８】
図１１はこのときの楕円率及び楕円方位角の測定結果の分布図であり、楕円率を色分けで、また楕円方位を矢印で表したもので、ＢとＧサブピクセル内で楕円方位が異なっていることがよく分かる。
さらに図１２は、図１１の楕円偏光状態をポアンカレ球の赤道面への投影図にしたものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の偏光解析装置の概略構成図である。
【図２】偏光イメージングカメラのＣＣＤ画素ごとの偏光素子の配置例である。
【図３】本発明を概略的に示すブロック図である。
【図４】一実施例の動作を示すフローチャートである。
【図５】楕円率と検出光強度図形の説明図である。
【図６】検光子の透過軸方向の検出光の振幅ベクトルの説明図である。
【図７】検光子の吸収軸方向の検出光の振幅ベクトルの説明図である。
【図８】偏光度の低い検光子を用いて偏光板を測定したときの検出光強度図形の説明図である。
【図９】偏光板を測定したときに、偏光イメージングカメラの偏光度が高いとして解析した場合（ａ）と、偏光度が低いとして補正方法を取り入れて解析した場合（ｂ）の比較図である。
【図１０】ＴＦＴ液晶セルを例にしたときの偏光イメージングカメラの取り込み画像である。
【図１１】ＴＦＴ液晶セルのＢとＧのサブピクセル内の透過光の楕円率と楕円方位角の分布図である。
【図１２】ＴＦＴ液晶セルのＢとＧのサブピクセル内の透過光の偏光状態を測定した結果をポアンカレ球の赤道面へ投影した図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 光源
２ 偏光子
３ 被測定物
４ 光学顕微鏡
５ 偏光イメージングカメラ
６ 演算処理部
７ 表示部
１２ データメモリ
１４ データ補正部
１６ 関係式算出部
１８ 偏光特性算出部
２０ 二次元分布測定制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶パネルの画素ごとの透過光の状態を解析する場合、プリズムシートのように表面に微細加工を施されたシートに直線偏光を入射させたときの透過光の状態を解析する場合、光ディスク反射光の偏光状態を解析する場合又は生物細胞を偏光観察する場合等で、被測定物を顕微鏡によって拡大し、かつ被測定物の各部からの透過光又は反射光の楕円率と楕円方位角とを求めて二次元分布図として表示する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な偏光解析方法の１つに、偏光子と検光子それぞれの偏光軸を平行に配置し、偏光子と検光子との間に被測定物を置き、偏光子と検光子とを平行ニコル状態を保って回転させ、そのときの透過光強度変化から被測定物の主屈折率方位とレターデーションとを求める方法（平行ニコル回転法）がある。また別の方法に、被測定物に直線偏光を照射し、検光子を回転させたときの透過光強度変化から被測定物のレターデーションを求める方法（回転検光子法）がある。これらの測定法において、ＣＣＤカメラ等のエリアセンサを検出器として用い、ＣＣＤカメラの画素ごとに各測定値を求めれば、それらを二次元分布図に描くことができる。
【０００３】
また、レーザのように小さなスポット径をもつ光で測定を行い、測定光又は被測定物を二次元的に移動しながら多数の点を測定することにより、測定値を二次元分布として描くこともできる。
【特許文献１】特許第２９２４９３８号公報
【特許文献２】特許第３５３９００６号公報
【特許文献１】特開平５−２０９８２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の従来技術のＣＣＤカメラ等のエリアセンサを利用する方法で微小な被測定物を測定する場合、一般的にＣＣＤカメラを顕微鏡に取り付ける。しかし、平行ニコル回転法と回転検光子法のいずれの場合も測定系に回転可能な検光子を設ける必要があるので、顕微鏡の対物レンズの前に検光子を設置するにはレンズの焦点距離と検光子を設置するための寸法的制約の問題から、高倍率の顕微鏡は利用できない。したがって、顕微鏡の拡大倍率は最大でも十数倍程度に制限され、寸法が１ｍｍ程度以下の微小な被測定物の面内の分布測定は困難であった。
【０００５】
また、レーザのように小さなスポット径をもつ光を用いて測定する場合も、そのスポット径は０．１ｍｍ程度あるため、寸法が１ｍｍ程度以下の被測定物全体を二次元分布として測定するには十分に小さいスポット径とは言えない。
【０００６】
本発明は顕微鏡にＣＣＤカメラ等のエリアセンサを設けて被測定物の偏光特性の面内での二次元分布を測定する際に、顕微鏡の倍率を容易に上げることのできる偏光解析装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の偏光解析装置は、被測定物を観察する光学顕微鏡と、光学顕微鏡に載置された被測定物に直線偏光を照射する照射光学系と、隣接する画素間で互いに方位の異なる偏光軸をもつ偏光素子が各画素の光入射側に設けられている受光部をもち、光学顕微鏡において被測定物からの反射光又は透過光を受光する位置に配置された偏光イメージングカメラと、偏光イメージングカメラの各画素による検出光強度をデータとして取り込み、被測定物の偏光特性の二次元的な分布を算出する演算処理部と、演算処理部により算出された被測定物の偏光特性の二次元的な分布を表示する表示部と、を備えている。
【０００８】
そして、演算処理部は、図３に示されるように、偏光イメージングカメラからの検出光強度データを保持するデータメモリ１２と、偏光イメージングカメラの受光部における隣接する複数の画素で互いに方位の異なる偏光軸をもつ偏光素子が設けられている複数の画素による検出光強度データを含む１組のデータをデータメモリ１２から読み出し、それらのデータを使って、偏光イメージングカメラの受光部の偏光素子を検光子としたときのその偏光方位と検出光強度との関係を表す関係式を算出する関係式算出部１６と、関係式算出部１６で求められた関係式に基づいてそれらの１組のデータを与えた被測定物上の位置での偏光特性を算出する偏光特性算出部１８と、被測定物上の複数の位置について偏光特性の算出を行って被測定物の偏光特性の二次元的な分布を得るように関係式算出部による前記データメモリからのデータの読出し動作を制御する二次元分布測定制御部２０と、を備えている。
【０００９】
微小な被測定物にある方位の直線偏光を照射し、そのときの透過光又は反射光を光学顕微鏡に取り付けた偏光イメージングカメラで画像として取り込む。偏光イメージングカメラではＣＣＤなどの受光素子からなる画素ごとに偏光素子が設けられており、それらの偏光素子の偏光軸が隣接する画素間で互いに方位が異なるように、例えば４５°ずつ異なるように設定されているので、それらの偏光素子が回転検光子法における検光子に代わる働きをする。そのため顕微鏡の対物レンズと被測定物との間に検光子を配置する必要がなくなる。
【００１０】
演算処理部での具体的な演算方法を示すと、偏光イメージングカメラの各画素の光入射側に設けられている検光子としての偏光素子の偏光度が高い場合は、その偏光素子の偏光方位θと検出光強度Ｉ（θ）との間の関係式は次式、
Ｉ（θ）＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）
により表されるものであり、関係式算出部１６はその式中のＩ0,ψ，Ｃを算出するものであり、偏光特性算出部１８では式Ｉ（θ）の最小値＝Ｉmin、最大値＝Ｉmax及び最大値を与えるθ＝θmaxを算出し、偏光特定として楕円率（Ｉmin ／Ｉmax ）1/2と、楕円方位角θmaxを求める。ここで、Ｃ＝ｃｏｓ(２πＲ/λ)、θは検光子の回転角度、Ｉ0 は最大検出光強度、ψは入射直線偏光の透過軸と被測定物の遅相軸とのなす角度、λは測定波長、Ｒは被測定物のレターデーションである。
【００１１】
一方、偏光イメージングカメラの各画素の光入射側に設けられている検光子としての偏光素子の偏光度が低い場合は、その偏光素子の吸収軸方向の検出光を考慮に入れた解析を行うことにより、偏光度の高い偏光素子で解析したときと同じ結果を導き出すようにする。その場合、具体的な方法では、その偏光素子の偏光方位θと検出光強度Ｉ（θ）との関係は次式、
Ｉｔ（θ）＝Ｉａ（θ）＋Ｉｂ（θ）
として表されるものであり、Ｉａ（θ）は検光子の透過軸方向の検出光強度、Ｉｂ（θ）は検光子の吸収軸方向の検出光強度で、それぞれ
Ｉａ（θ）
＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝
Ｉｂ（θ）
＝Ｉ0Ｔ｛ｃｏｓ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）
＋Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝
として表されるものであり、関係式算出部１６ではＩｔ（θ）の式を偏光素子の偏光方位θと検出光強度Ｉ（θ）との間の関係式として用いて式中のＩ0，ψ，Ｃを算出し、偏光特性算出部１８では式Ｉａ（θ）を用いて、その最小値＝Ｉmin、最大値＝Ｉmax及び最大値を与えるθ＝θmaxを算出し、偏光特性として楕円率（Ｉmin／Ｉmax）1/2と楕円方位角θmaxを求める。この場合も、Ｃ＝ｃｏｓ(２πＲ/λ)、θは検光子の回転角度、Ｉ0は最大検出光強度、ψは入射直線偏光の透過軸と被測定物の遅相軸とのなす角度、λは測定波長、Ｒは被測定物のレターデーション、Ｔ＝τ2（τは検光子の透過軸に対する吸収軸の振幅透過率である。）である。
【００１２】
さらに、偏光イメージングカメラの画素ごとの暗電流及び感度の補正を、暗視野及び２つの異なる照度条件での光量取り込み値をもとに行ってデータメモリ１２に保持された検出光強度データを補正するデータ補正部１４をさらに備えていてもよい。その場合には、偏光イメージングカメラの画素の暗電流又は感度にばらつきがあっても、被測定物の偏光特性の正確な二次元分布を得ることができるようになる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の偏光解析装置では、被測定物を直線偏光で照射し、被測定物からの反射光又は透過光を光学顕微鏡を介して偏光イメージングカメラで受光し、偏光イメージングカメラの各画素による検出光強度データから被測定物の偏光特性の二次元的な分布を算出するようにしたので、顕微鏡の対物レンズと被測定物との間に検光子を配置する必要がなくなり、従来よりも拡大倍率の大きい光学顕微鏡が適用可能になり、今まで測定が困難であった微小面積の被測定物であっても、十分な空間分解能で偏光状態の二次元分布を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［実施例１］
図１は、本発明の装置を透過測定に適用した一実施例の概略構成図である。光学顕微鏡４の試料台に被測定物３が載置される。試料台に載置された被測定物３に直線偏光を照射する照射光学系として、試料台の下方に光源１と偏光子２が配置されている。光源１は、例えばハロゲンランプの光をライトガイドで導いた発光源、又は白色ＬＥＤ（発光ダイオード）を用いた光源であり、偏光子２は偏光軸の方位が変えられるように回転可能な構造になっている。偏光子２を透過した光が直線偏光となって被測定物３に裏面側から照射される。
【００１５】
光学顕微鏡４において被測定物３からの反射光又は透過光（この場合は透過光であるが、照射光学系の配置を試料台の上方に配置することにより反射光になる。）を受光する位置に偏光イメージングカメラ５が配置されている。偏光イメージングカメラ５の受光部は、図２に示されるように、隣接する画素間で互いに方位の異なる偏光軸をもつ偏光素子が各画素の光入射側に設けられている。図２は受光部の一部で、横方向に６個の画素、縦方向に４個の画素が配列された２４個の画素を含む部分を示している。各画素はＣＣＤ素子であり、矢印は各ＣＣＤ素子の光入射側に配置された偏光素子の偏光方位を表している。この例では、ＣＣＤの隣接する素子に対して４５°ずつ偏光方位を異にした偏光素子が配設されており、隣接する４個で１組のＣＣＤ素子によって０°，４５°，９０°及び１３５°方位の偏光方位に対応した光量を取り込むことができる。
【００１６】
偏光イメージングカメラ５としては、具体的にはフォトニック結晶技術を利用した偏光イメージングカメラ（例えば、フォトニックラティス社製のカメラ）が利用できる。そのような偏光イメージングカメラは、偏光特性を発現する波長帯域が限定されるため、その波長帯域のみを測定に使用するようにＣＣＤカメラ内にバンドパスフィルタが取り付けてある。
【００１７】
偏光イメージングカメラ５の各画素による検出光強度をデータとして取り込み、被測定物３の偏光特性の二次元的な分布を算出するために演算処理部６が接続されている。演算処理部６は図３に示される機能を果たすものであり、マイクロプロセッサ、マイクロプロコンピュータ又は汎用のパーソナルコンピュータにより実現される。
演算処理部６により算出された被測定物３の偏光特性の二次元的な分布を表示するために、演算処理部６にはＬＣＤ（液晶表示装置）などの表示部７が接続されている。
【００１８】
この実施例の動作を図３、図４も参照して説明する。
被測定物３に、ある方位の直線偏光を照射し、偏光イメージングカメラ５の受光部のＣＣＤ素子による検出光強度をデータとして取り込み、ＲＡＭなどの記憶装置からなるデータメモリ１２に検出光強度データとして記憶する（ステップＳ１，Ｓ２）。
【００１９】
（未知数Ｉ0、ψ及びＣの決定）
関係式算出部１６では、偏光イメージングカメラ５の受光部における隣接する複数の画素で互いに方位の異なる偏光軸をもつ偏光素子が設けられている複数の画素による検出光強度データを含む１組のデータをデータメモリ１２から読み出し、それらのデータを使って、それらの偏光素子を検光子としたときのその偏光方位と検出光強度との関係を表す関係式を算出する（ステップＳ３）。具体的には次のように行う。
【００２０】
検光子を回転したときに検出する透過光又は反射光の検出光強度をＩ（θ）とすると、検光子の偏光方位θと検出光強度Ｉ（θ）との間の関係式は一般的に次式（１）で表される（特許文献１，２参照。）。実施例では、検光子を回転させる代わりに、隣接する複数の画素のＣＣＤ素子であって、偏光方位の異なる偏光子を備えたＣＣＤ素子からの検出光強度データを使用する。
Ｉ（θ）
＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−φｐ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−φｐ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−φｐ−ψ）｝ （１）
【００２１】
ここで、Ｃ＝ｃｏｓ(２πＲ/λ)、θは検光子の回転角度、Ｉ0 は最大検出光強度、ψは入射直線偏光の透過軸と被測定物の遅相軸とのなす角度、φｐは入射直線偏光の透過軸方位、λは測定波長及びＲは被測定物のレターデーションである。今の目的は、θ＝０°，４５°，９０°，１３５°の４つの光量取り込み値から式中の未知数Ｉ0 、ψ、Ｃを決定した後に、図５に示すＩ（θ）の図形を再現し、θを０°から１８０°まで変化させたときの最大値Ｉmax、最小値Ｉmin及び最大値を与える角度θmaxを求めることである。Ｉ（θ）の図形を再現するにはφｐはいくらでもよく、必ずしも実際の測定条件の入射直線偏光方位である必要はない。そこで簡単のために常にφｐ＝０と置く。特許請求の範囲及び明細書の他の説明においてもφｐ＝０と置いて、φｐの記載を省略している。さらにここではレターデーションＲも求める必要はないので波長λを具体的に考える必要がない。
【００２２】
θ＝０°，４５°，９０°，１３５°の４つの検出光強度Ｉ（θ）取込み値（Ｉ（θ）としては、以下に示す（２）式で補正されたＩ’（θ）を用いる。）をデータメモリ１２から読み出し、それを基に数値演算、例えば既知のカーブフッイティング法を行って３つの未知数Ｉ0、ψ及びＣ（ただし、−１≦Ｃ≦１）の各値を決定する。カーブフッイティング法については、例えば特許文献３を参照する。
【００２３】
データメモリ１２に保持されたＩ（θ）の数値は、データ補正部１４により予め以下の手順でＣＣＤの画素ごとの補正処理を行ってから数値演算に持ち込む。まず、光学顕微鏡４の対物レンズに不透明のキャップをかぶせた状態で暗視野の検出光強度ＩB（θ）を取り込む。次に、検出光強度が２つの状態、例えば２５６階調のＣＣＤカメラの場合、被測定物を置かない状態で光源の強さを変えて検出光強度値が１００程度と２００程度になるようにし、それぞれの状態で光強度を取り込み、それらをＩ1（θ）とＩ2（θ）とする。被測定物を測定したときの検出光強度をＩ（θ）、さらにＩ1 （θ）及びＩ2 （θ）の全画素の平均値をそれぞれＩAVE1及びＩAVE2として、次の式（２）によってＩ（θ）を補正する。
この補正したＩ’（θ）の数値をＩ（θ）として数値演算を行う。
【００２４】
（偏光特性の算出）
偏光特性として偏光の楕円率と楕円方位角を算出する（ステップＳ４）。
具体的には、関係式算出部１６で求められた未知数Ｉ0、ψ及びＣを（１）式に当てはめ、図５に示すＩ（θ）の図形を再現する。その再現された図形に基づいて、θを０°から１８０°まで変化させたときの最大値Ｉmax、最小値Ｉmin及び最大値を与える角度θmax を求め、偏光特性として（Ｉmin／Ｉmax）1/2 を楕円率、θmaxを楕円方位角とする。
【００２５】
（二次元分布測定）
二次元分布制御部２０は、偏光特性の二次元分布を測定する（ステップＳ５，Ｓ６）ようにデータメモリ１２から関係式算出部１６へのデータ読出しを制御する。そのために、図２において、４５°ごとに偏光方位の異なる隣接する４つのＣＣＤ素子を１組とし、その組をまず１素子分ずつ横にずらしながら演算処理をし、次に１素子分縦にずらした後、再度１素子分ずつ横にずらしながら全画面を処理する。この場合は、空間分解能は元のＣＣＤカメラの取り込み画面の１画素と同じになる。
【００２６】
高分解能のＣＣＤカメラは１００万画素前後あり、演算処理に時間がかかる場合は、４つの画素の組を縦横に２画素分ずつずらせば演算数はもとの１／４になる。このとき、空間分解能は元の取り込み画面における２画素分の寸法になる。さらに、演算時間を短縮する場合は、図２において、縦４画素×横４画素の１６画素を１組にし、その中の同じ方位の偏光成分の光量を合計又は平均した値を演算処理に持ち込めば、処理時間は元の１／１６になり、元の画面の４画素分の寸法が空間分解能になる。
【００２７】
二次元分布の測定が完了したら、求めた偏光特性としての楕円率（Ｉmin ／Ｉmax ）1/2と楕円方位角θmaxを数値として、又は色分けもしくは濃淡によって表示部７に二次元表示する（ステップＳ７）。
【００２８】
［実施例２］
フォトニック結晶技術で作製された偏光素子は、偏光特性を発現する波長域が限定されるだけでなく、十分な偏光度を有しているとは限らない。そこで、偏光イメージングカメラに取り付けられた偏光素子の偏光度が低く、検出光強度に対して吸収軸方向の検出光を無視できない場合を実施例２として説明する。
【００２９】
図６は、検光子の透過軸方向の検出光の振幅ベクトルを説明する図であり、ＰＰ'は入射直線偏光の軸、ａａ’、ｂｂ’はそれぞれ被測定物の遅相軸、進相軸、ＡＡ’は検光子の透過軸を表し、入射直線偏光の振幅をＡとしたとき各軸方向の振幅は以下のようになる。
Ａ1＝Ａｃｏｓψ
Ａ2＝Ａｓｉｎψ
Ａ1≡＝Ａ1ｃｏｓ（θ−ψ）＝Ａｃｏｓψｃｏｓ（θ−ψ）
Ａ2≡＝Ａ2ｓｉｎ（θ−ψ）＝Ａｓｉｎψｓｉｎ（θ−ψ）
【００３０】
検光子の透過軸方向の検出光強度をＩa（θ）とすると、前述Ｉ（θ）の式（１）と同じで次のように表される。
Ｉａ（θ）＝Ａ1≡2＋Ａ2≡2＋２Ａ1≡Ａ2≡ｃｏｓδ
＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝ （３）
ただし、Ｃ＝ｃｏｓδ、Ｉ0＝Ａ2である。
【００３１】
図７は、検光子の吸収軸方向の検出光の振幅ベクトルを説明する図であり、ＰＰ'は入射直線偏光の軸、ａａ’、ｂｂ’はそれぞれ被測定物の遅相軸、進相軸、ＢＢ’は検光子の吸収軸を表し、入射直線偏光の振幅をＡ、検光子の透過軸に対する吸収軸の振幅透過率をτとしたとき、各軸方向の振幅は以下のようになる。
Ａ1＝Ａｃｏｓψ
Ａ2＝Ａｓｉｎψ
Ａ1”＝τＡ1ｓｉｎ（θ−ψ）＝τＡｃｏｓψｓｉｎ（θ−ψ）
Ａ2”＝−τＡ2ｃｏｓ（θ−ψ）＝−τＡｓｉｎψｃｏｓ（θ−ψ）
【００３２】
検光子の吸収軸方向の検出光強度をＩｂ（θ）とすると、次のように表される。
Ｉｂ（θ）＝Ａ1”2＋Ａ2”2＋２Ａ1”Ａ2”ｃｏｓδ
＝Ｉ0Ｔ｛ｃｏｓ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）
＋Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝ （４）
ただし、Ｃ＝ｃｏｓδ、Ｉ0＝Ａ2、Ｔ＝τ2である。
【００３３】
したがって、検光子の吸収軸方向の透過光が無視できない程度に偏光度が低いとき、検出される光の強度Ｉｔ（θ）は、
Ｉｔ（θ）＝Ｉａ（θ）＋Ｉｂ（θ） （５）
となる。例えば、被測定物として直線偏光板を測定した場合、偏光度が十分に高い検光子を用いて測定したとき、検出光強度図形は図８のＩａ（θ）のようになる。一方、偏光度が低い検光子を用いて測定したときは、検出光強度図形はＩａ（θ）にＩｂ（θ）が加算されて図８のＩｔ（θ）のようになる。そのため、その検出光強度の測定値Ｉｔ（θ）を基にして楕円率を算出しても０にはならず、偏光板を測定した結果にはならない。
【００３４】
この実施例では、検光子の偏光度が低い場合も検出光強度Ｉｔ（θ）の式中の未知数はＩ0、Ｃ、ψであるので、あらかじめ検光子の透過軸方向に対する吸収軸方向の透過率Ｔを調べておき定数として扱うことによって、偏光方位の異なる４つ検出光強度取り込み値から数値演算によって未知数Ｉ0、Ｃ及びψを決定する。吸収軸方向の透過率Ｔは、例えば直線偏光板を被測定物として測定したときに、測定値として得られる楕円率ができるだけゼロになるようにＴの値を少しずつ変えながら探し出せばよい。そして、３つの未知数が決定できれば、十分に偏光度の高い検光子を用いて測定したとした場合の検出光強度に相当する項はＩａ（θ）であるから、Ｉa（θ）の最小値＝Ｉamin、最大値＝Ｉamax及び最大値を与えるθ＝θamaxを算出し、（Ｉamin／Ｉamax）1/2 を楕円率、θamaxを楕円方位角とする。
【００３５】
すなわち、この実施例では、関係式算出部１６ではＩｔ（θ）の式（５）を用いて式中のＩ0，ψ，Ｃを算出し、偏光特性算出部１８ではＩａ（θ）の式（３）を用いて、その最小値＝Ｉmin、最大値＝Ｉmax及び最大値を与えるθ＝θmaxを算出し、（Ｉmin／Ｉmax）1/2を楕円率、θmaxを楕円方位角とする。
【００３６】
偏光状態の表現方法の1つにポアンカレ球が利用される。図９は実際に偏光イメージングカメラを用いて、直線偏光板を測定したときの偏光状態をポアンカレ球の赤道面への投影図で表したもので、偏光イメージングカメラの偏光度が十分高いと仮定して評価した場合（ａ）と、偏光度が低いとして上記の［実施例２］の方法により吸収軸方向の透過率を取り入れて補正した場合（ｂ）のそれぞれの結果の比較である。図９において中心は円偏光(楕円率＝１)を表し、最外周の円は楕円方位角の異なる直線偏光(楕円率＝０)を表す。偏光イメージングカメラの偏光度が十分高いと仮定して評価した場合の結果（ａ）は、直線偏光板を測定したにもかかわらず楕円率が０．４程度になって直線偏光板を測定した正しい結果とは言えない。一方、吸収軸方向の透過率を取り入れて補正した場合の結果（ｂ）は、外円周に近いところに測定点が集まってほぼ楕円率が０になっており、直線偏光を測定したとみなせるよい結果が得られている。
【００３７】
図１０は、ＴＦＴ型液晶ディスプレイの視認側の偏光板と位相差板を剥がした状態で、Ｂ（ブルー）のサブピクセルに電圧を印加、Ｇ（グリーン）のサブピクセルに電圧を無印加の条件にしたときの、透過光の偏光状態を光学顕微鏡を用いて測定したときの偏光イメージングカメラの取り込み画像である。なお、Ｒ（レッド）のサブピクセルは偏光イメージングカメラの波長特性上、観察することができない。液晶ディスプレイのその２つのサブピクセルを顕微鏡で拡大して偏光イメージングカメラの受光部上では枠で囲んだ約２１８μｍ×１３７μｍの大きさにし、そのエリア内を空間分解能０．５μｍの条件で測定した。このとき、液晶ディスプレイのバックライトが光源となり、さらに液晶セルのバックライト側には偏光板が貼合されているため、図１の装置構成図における光源及び偏光子は使用しない。
【００３８】
図１１はこのときの楕円率及び楕円方位角の測定結果の分布図であり、楕円率を色分けで、また楕円方位を矢印で表したもので、ＢとＧサブピクセル内で楕円方位が異なっていることがよく分かる。
さらに図１２は、図１１の楕円偏光状態をポアンカレ球の赤道面への投影図にしたものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の偏光解析装置の概略構成図である。
【図２】偏光イメージングカメラのＣＣＤ画素ごとの偏光素子の配置例である。
【図３】本発明を概略的に示すブロック図である。
【図４】一実施例の動作を示すフローチャートである。
【図５】楕円率と検出光強度図形の説明図である。
【図６】検光子の透過軸方向の検出光の振幅ベクトルの説明図である。
【図７】検光子の吸収軸方向の検出光の振幅ベクトルの説明図である。
【図８】偏光度の低い検光子を用いて偏光板を測定したときの検出光強度図形の説明図である。
【図９】偏光板を測定したときに、偏光イメージングカメラの偏光度が高いとして解析した場合（ａ）と、偏光度が低いとして補正方法を取り入れて解析した場合（ｂ）の比較図である。
【図１０】ＴＦＴ液晶セルを例にしたときの偏光イメージングカメラの取り込み画像である。
【図１１】ＴＦＴ液晶セルのＢとＧのサブピクセル内の透過光の楕円率と楕円方位角の分布図である。
【図１２】ＴＦＴ液晶セルのＢとＧのサブピクセル内の透過光の偏光状態を測定した結果をポアンカレ球の赤道面へ投影した図である。
【符号の説明】
【００４０】
１ 光源
２ 偏光子
３ 被測定物
４ 光学顕微鏡
５ 偏光イメージングカメラ
６ 演算処理部
７ 表示部
１２ データメモリ
１４ データ補正部
１６ 関係式算出部
１８ 偏光特性算出部
２０ 二次元分布測定制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物を観察する光学顕微鏡と、
前記光学顕微鏡に載置された被測定物に直線偏光を照射する照射光学系と、
隣接する画素間で互いに方位の異なる偏光軸をもつ偏光素子が各画素の光入射側に設けられている受光部をもち、前記光学顕微鏡において被測定物からの反射光又は透過光を受光する位置に配置された偏光イメージングカメラと、
前記偏光イメージングカメラの各画素による検出光強度をデータとして取り込み、被測定物の偏光特性の二次元的な分布を算出する演算処理部と、
前記演算処理部により算出された被測定物の偏光特性の二次元的な分布を表示する表示部と、を備え、
前記演算処理部は、
前記偏光イメージングカメラからの検出光強度データを保持するデータメモリと、
前記偏光イメージングカメラの受光部における隣接する複数の画素で互いに方位の異なる偏光軸をもつ偏光素子が設けられている複数の画素による検出光強度データを含む１組のデータを前記データメモリから読み出し、それらのデータを使って、前記偏光素子を検光子としたときのその偏光方位と検出光強度との関係を表す関係式を算出する関係式算出部と、
前記関係式算出部で求められた関係式に基づいてそれらの１組のデータを与えた被測定物上の位置での偏光特性を算出する偏光特性算出部と、
被測定物上の複数の位置について偏光特性の算出を行って被測定物の偏光特性の二次元的な分布を得るように関係式算出部による前記データメモリからのデータの読出し動作を制御する二次元分布測定制御部と、を備えている偏光解析装置。
【請求項２】
前記関係式は検光子の偏光方位θと検出光強度Ｉ（θ）との間の関係を示す次式、
Ｉ（θ）＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）
であり、
前記関係式算出部は前記式中のＩ0，ψ，Ｃを算出するものであり、
前記偏光特性算出部では前記式Ｉ（θ）の最小値＝Ｉmin、最大値＝Ｉmax及び最大値を与えるθ＝θmaxを算出し、前記偏光特性として楕円率（Ｉmin／Ｉmax）1/2と楕円方位角θmaxを求める請求項１に記載の偏光解析装置。
ただし、Ｃ＝ｃｏｓ(２πＲ/λ)、θは検光子の回転角度、Ｉ0は最大検出光強度、ψは入射直線偏光の透過軸と被測定物の遅相軸とのなす角度、λは測定波長、Ｒは被測定物のレターデーションである。
【請求項３】
偏光イメージングカメラの検光子としての偏光素子の吸収軸方向の検出光を考慮に入れた解析を行う請求項１又は２に記載の偏光解析装置。
【請求項４】
検光子の偏光方位θと検出光強度Ｉ（θ）との関係は次式、
Ｉｔ（θ）＝Ｉａ（θ）＋Ｉｂ（θ）
として表されるものであり、Ｉａ（θ）は検光子の透過軸方向の検出光強度、Ｉｂ（θ）は検光子の吸収軸方向の検出光強度で、それぞれ
Ｉａ（θ）＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝
Ｉｂ（θ）＝Ｉ0Ｔ｛ｃｏｓ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）
＋Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝
として表されるものであり、
前記関係式算出部ではＩｔ（θ）の式を前記関係式として用いて前記式中のＩ0,ψ，Ｃを算出し、
前記偏光特性算出部では前記式Ｉａ（θ）を用いて、その最小値＝Ｉmin、最大値＝Ｉmax及び最大値を与えるθ＝θmaxを算出し、前記偏光特性として楕円率（Ｉmin／Ｉmax）1/2と楕円方位角θmaxを求める請求項３に記載の偏光解析装置。
ただし、Ｃ＝ｃｏｓ(２πＲ/λ)、θは検光子の回転角度、Ｉ0は最大検出光強度、ψは入射直線偏光の透過軸と被測定物の遅相軸とのなす角度、λは測定波長、Ｒは被測定物のレターデーション、Ｔ＝τ2（τは検光子の透過軸に対する吸収軸の振幅透過率である。）である。
【請求項５】
前記偏光イメージングカメラの画素ごとの暗電流及び感度の補正を、暗視野及び２つの異なる照度条件での光量取り込み値をもとに行って前記データメモリに保持された検出光強度データを補正するデータ補正部をさらに備えた請求項１から４のいずれか一項に記載の偏光解析装置。
【請求項１】
被測定物を観察する光学顕微鏡と、
前記光学顕微鏡に載置された被測定物に直線偏光を照射する照射光学系と、
隣接する画素間で互いに方位の異なる偏光軸をもつ偏光素子が各画素の光入射側に設けられている受光部をもち、前記光学顕微鏡において被測定物からの反射光又は透過光を受光する位置に配置された偏光イメージングカメラと、
前記偏光イメージングカメラの各画素による検出光強度をデータとして取り込み、被測定物の偏光特性の二次元的な分布を算出する演算処理部と、
前記演算処理部により算出された被測定物の偏光特性の二次元的な分布を表示する表示部と、を備え、
前記演算処理部は、
前記偏光イメージングカメラからの検出光強度データを保持するデータメモリと、
前記偏光イメージングカメラの受光部における隣接する複数の画素で互いに方位の異なる偏光軸をもつ偏光素子が設けられている複数の画素による検出光強度データを含む１組のデータを前記データメモリから読み出し、それらのデータを使って、前記偏光素子を検光子としたときのその偏光方位と検出光強度との関係を表す関係式を算出する関係式算出部と、
前記関係式算出部で求められた関係式に基づいてそれらの１組のデータを与えた被測定物上の位置での偏光特性を算出する偏光特性算出部と、
被測定物上の複数の位置について偏光特性の算出を行って被測定物の偏光特性の二次元的な分布を得るように関係式算出部による前記データメモリからのデータの読出し動作を制御する二次元分布測定制御部と、を備えている偏光解析装置。
【請求項２】
前記関係式は検光子の偏光方位θと検出光強度Ｉ（θ）との間の関係を示す次式、
Ｉ（θ）＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）
であり、
前記関係式算出部は前記式中のＩ0，ψ，Ｃを算出するものであり、
前記偏光特性算出部では前記式Ｉ（θ）の最小値＝Ｉmin、最大値＝Ｉmax及び最大値を与えるθ＝θmaxを算出し、前記偏光特性として楕円率（Ｉmin／Ｉmax）1/2と楕円方位角θmaxを求める請求項１に記載の偏光解析装置。
ただし、Ｃ＝ｃｏｓ(２πＲ/λ)、θは検光子の回転角度、Ｉ0は最大検出光強度、ψは入射直線偏光の透過軸と被測定物の遅相軸とのなす角度、λは測定波長、Ｒは被測定物のレターデーションである。
【請求項３】
偏光イメージングカメラの検光子としての偏光素子の吸収軸方向の検出光を考慮に入れた解析を行う請求項１又は２に記載の偏光解析装置。
【請求項４】
検光子の偏光方位θと検出光強度Ｉ（θ）との関係は次式、
Ｉｔ（θ）＝Ｉａ（θ）＋Ｉｂ（θ）
として表されるものであり、Ｉａ（θ）は検光子の透過軸方向の検出光強度、Ｉｂ（θ）は検光子の吸収軸方向の検出光強度で、それぞれ
Ｉａ（θ）＝Ｉ0｛ｃｏｓ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）
−Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝
Ｉｂ（θ）＝Ｉ0Ｔ｛ｃｏｓ2ψｓｉｎ2（θ−ψ）＋ｓｉｎ2ψｃｏｓ2（θ−ψ）
＋Ｃ／２・ｓｉｎ２ψｓｉｎ２（θ−ψ）｝
として表されるものであり、
前記関係式算出部ではＩｔ（θ）の式を前記関係式として用いて前記式中のＩ0,ψ，Ｃを算出し、
前記偏光特性算出部では前記式Ｉａ（θ）を用いて、その最小値＝Ｉmin、最大値＝Ｉmax及び最大値を与えるθ＝θmaxを算出し、前記偏光特性として楕円率（Ｉmin／Ｉmax）1/2と楕円方位角θmaxを求める請求項３に記載の偏光解析装置。
ただし、Ｃ＝ｃｏｓ(２πＲ/λ)、θは検光子の回転角度、Ｉ0は最大検出光強度、ψは入射直線偏光の透過軸と被測定物の遅相軸とのなす角度、λは測定波長、Ｒは被測定物のレターデーション、Ｔ＝τ2（τは検光子の透過軸に対する吸収軸の振幅透過率である。）である。
【請求項５】
前記偏光イメージングカメラの画素ごとの暗電流及び感度の補正を、暗視野及び２つの異なる照度条件での光量取り込み値をもとに行って前記データメモリに保持された検出光強度データを補正するデータ補正部をさらに備えた請求項１から４のいずれか一項に記載の偏光解析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−４２０４０（Ｐ２００９−４２０４０Ａ）
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２０６６９１（Ｐ２００７−２０６６９１）
【出願日】平成１９年８月８日（２００７．８．８）
【出願人】（３９８０２３８７４）王子計測機器株式会社 (11)
【出願人】（０００１２２２９８）王子製紙株式会社 (2,055)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月８日（２００７．８．８）
【出願人】（３９８０２３８７４）王子計測機器株式会社 (11)
【出願人】（０００１２２２９８）王子製紙株式会社 (2,055)
【Ｆターム（参考）】
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