計測装置及び計測方法
【課題】 誤差要因である複屈折成分を分離し、測定対象の旋光度を高精度に計測することが可能な計測装置及び計測方法を提供すること。
【解決手段】 位相子２２及び検光子２４が所与の回転比で回転する変調部２０で試料３０を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報に基づき試料３０を透過した光のストークスパラメータを算出する。試料３０を旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、測定対象３０の旋光度と複屈折位相差とを反映したストークスパラメータの理論式と、偏光子１６及び試料３０のいずれか一方を回転させて算出したストークスパラメータとに基づいて、試料３０の旋光度及び複屈折位相差を算出する。
【解決手段】 位相子２２及び検光子２４が所与の回転比で回転する変調部２０で試料３０を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報に基づき試料３０を透過した光のストークスパラメータを算出する。試料３０を旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、測定対象３０の旋光度と複屈折位相差とを反映したストークスパラメータの理論式と、偏光子１６及び試料３０のいずれか一方を回転させて算出したストークスパラメータとに基づいて、試料３０の旋光度及び複屈折位相差を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象の旋光度及び複屈折位相差を計測する計測装置及び計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、回転可能に構成された位相子と検光子を含む変調部で測定対象からの出射光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報に基づいて測定対象からの出射光の偏光状態を計測する計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような計測装置では、計測された偏光状態（ストークスパラメータ）から測定対象の旋光度を計測することができる。
【０００３】
ここで、測定対象として液体を用いる場合には、液体をガラス管などの観測管に入れて測定を行う。ところが、液体を封入する際のガラス管の締め付けによって発生するひずみの影響により、光源からの光がガラス管を通過する際に複屈折成分が生じ、この複屈折成分により旋光度の測定値に誤差が生じる。
【０００４】
また、旋光計の校正用標準物質である水晶板は、光軸方向と垂直な面を切り出し面として加工されるが、実際には光軸に垂直に切り出すことは困難であり、少なからず光軸誤差がある。この水晶板の光軸誤差は複屈折を引き起こし、旋光度の測定の誤差として表れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００７／０９９７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、誤差要因である複屈折成分を分離し、測定対象の旋光度を高精度に計測することが可能な計測装置及び計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明は、測定対象の旋光度及び複屈折位相差を計測する計測装置において、
光源から出射された光の所定の偏光成分を透過させる第１の偏光子と、
前記第１の偏光子を介して前記測定対象を透過した光を変調させる変調部と、
前記変調部で前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記変調光の光強度情報に基づき前記測定対象を透過した光の偏光特性要素を算出する偏光特性要素算出処理を行い、算出された前記偏光特性要素に基づき前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する処理を行う演算処理部とを含み、
前記演算処理部は、
前記測定対象を旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、前記測定対象の旋光度と複屈折位相差とを反映した前記偏光特性要素の理論式と、前記第１の偏光子及び前記測定対象のいずれか一方を回転させて算出した前記偏光特性要素とに基づいて、前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する。
【０００８】
本発明によれば、誤差要因である複屈折成分を分離し、測定対象の旋光度を高精度に計測することができる。
【０００９】
（２）また、本発明において、
前記変調光を分光する分光部と、前記分光部で分光された前記変調光を受光する受光部とを更に含み、
前記光強度情報取得部は、
前記受光部で受光された前記変調光の光強度情報を取得するようにしてもよい。
【００１０】
本発明によれば、複数の波長帯における変調光の光強度を同時に取得することができ、測定対象の各波長での旋光度を計測することができる。
【００１１】
（３）また、本発明において、
前記変調部は、
回転可能に構成された位相子及び第２の偏光子を含み、前記測定対象を透過した光が、前記位相子を透過し、その後、前記第２の偏光子を透過するように構成されてなり、
前記光強度情報取得部は、
前記位相子及び前記第２の偏光子が所与の回転比で回転する前記変調部で前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得するようにしてもよい。
【００１２】
（４）また、本発明において、
前記光強度情報取得部は、
前記位相子及び前記第２の偏光子が１対３の回転比で回転する前記変調部で前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得するようにしてもよい。
【００１３】
（５）また、本発明において、
前記演算処理部は、
前記偏光特性要素算出処理に先だって、所定の偏光状態を示すサンプル光を前記変調部で変調させることによって得られる変調光の光強度情報に基づいて前記位相子の複屈折位相差を算出する処理を行い、
算出された前記位相子の複屈折位相差に基づいて前記偏光特性要素算出処理を行うようにしてもよい。
【００１４】
本発明によれば、位相子の有する複屈折位相差のキャリブレーションを行うことができる。
【００１５】
（６）また、本発明において、
前記演算処理部は、前記測定対象を透過した光のストークスパラメータを算出するようにしてもよい。
【００１６】
（７）本発明は、測定対象の旋光度及び複屈折位相差を計測する計測方法において、
変調部で第１の偏光子を介して前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する光強度情報取得手順と、
前記変調光の光強度情報に基づき前記測定対象を透過した光の偏光特性要素を算出する偏光特性要素算出処理を行い、算出された前記偏光特性要素に基づき前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する処理を行う演算処理手順とを含み、
前記演算処理手順では、
前記測定対象を旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、前記測定対象の旋光度と複屈折位相差とを反映した前記偏光特性要素の理論式と、前記第１の偏光子及び前記測定対象のいずれか一方を回転させて算出した前記偏光特性要素とに基づいて、前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する。
【００１７】
本発明によれば、誤差要因である複屈折成分を分離し、測定対象の旋光度を高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の計測装置の構成の一例を示す図。
【図２】試料のミュラー行列について説明するための図。
【図３】旋光度の測定手順について説明するためのフローチャート図。
【図４】本実施形態の計測装置による測定結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２０】
１．装置の構成
図１は、本実施形態の計測装置の構成の一例を示す図である。本実施形態の計測装置１は、光学活性物質である試料３０（測定対象）の旋光度及び複屈折位相差を光学的に計測する装置として構成されている。計測装置１は、光学系１０と、光強度情報取得部４０と、演算処理部７０とを含む。光強度情報取得部４０は、変調部２０で試料３０を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する。演算処理部７０は、変調光の光強度情報に基づき試料３０を透過した光の偏光特性要素を算出し、算出された偏光特性要素に基づき試料３０の旋光度及び複屈折位相差を算出する処理を行う。以下、計測装置１の装置構成について説明する。
【００２１】
１−１．光学系
光学系１０は、光源１２と受光部１４を含む。また光学系１０は、光源１０と受光部１４とを結ぶ光路Ｌ上に設けられた、偏光子１６（第１の偏光子）、位相子２２（リターダ、波長板）、検光子２４（第２の偏光子）を含む。位相子２２及び検光子２４は、試料３０から出射された光（試料３０を透過した光）を変調させる光学素子である。位相子２２と検光子２４とは、変調部２０を構成する。以下、光学系１０の各要素について説明する。
【００２２】
光源１２は、光を発生し、出射する装置である。本実施形態では、光源１２として、所与の波長帯域成分を含む光を出射する装置を利用してもよい。例えば、光源１２としてハロゲンランプなどの白色光源を利用してもよい。また光源１２は、所与の波長の光（単色光）を出射する光源であってもよい。例えば、光源１２として、レーザやＳＬＤなどを利用してもよい。また光源１２は、出射する光の波長を変更することが可能な構成をなしていてもよい。
【００２３】
偏光子１６は、光源１２から出射された光を直線偏光とする入射側の偏光子である。すなわち偏光子１６は、光源１２から出射された光の所定の偏光成分（透過軸の方向に偏光面を有する直線偏光）を透過させる。また、偏光子１６は、回転可能に構成されてなる。すなわち、偏光子１６を回転させることにより、その透過軸の方位を変更することができるように構成されている。また、偏光子１６を回転可能に構成することに代えて、試料３０を回転可能に構成するようにしてもよい。
【００２４】
位相子２２は、透過する光の波長によってその複屈折位相差の大きさが異なる光学素子である。従って、位相子２２を透過した光は、その波長によって偏光状態が変化することになる。また、位相子２２は、回転可能に構成されてなる。すなわち、位相子２２を回転させることにより、その主軸方位を変更することができるように構成されている。
【００２５】
検光子２４は、位相子２２を透過した光を直線偏光とする出射側の偏光子である。また、検光子２４は、回転可能に構成されてなる。すなわち、検光子２４を回転させることにより、その透過軸の方位を変更することができるように構成されている。
【００２６】
受光部１４は、試料３０を透過した光を変調部２０で変調させることによって得られる光（変調光）を受光する。受光部１４として、例えば、ＣＣＤを利用してもよい。また、試料３０を透過した光及び変調光が、所与の波長帯域成分を含む光（例えば、白色光）である場合、受光部１４は、分光器（分光部）と複数の受光素子を含むようにしてもよい。この場合には、分光器は、変調光を波長毎に分光し、分光器で分光された各波長の変調光は、複数の受光素子の各受光素子によって受光される。分光器として、例えば、プリズムや回折格子を利用することができる。
【００２７】
１−２．光強度情報取得部４０
光強度情報取得部４０は、位相子２２及び検光子２４が所与の回転比で回転する変調部２０で試料３０を透過した光を変調させることによって得られる光（変調光）の光強度情報を取得する。すなわち、光強度情報取得部４０は、受光部１４に入射する光の光強度情報を取得する。例えば、位相子２２の主軸方位φ１と、検光子２４の透過軸方位φ２を、それぞれφ１＝Φ、φ２＝３Φと設定し、Φを０°から３６０°まで連続的に変化させたときの複数の変調光の光強度情報を取得するようにしてもよい。
【００２８】
１−３．駆動・検出部
計測装置１は、第１、第２及び第３の駆動・検出部５２、５４、５６を含む。駆動・検出部のうち、駆動部は、光学素子の方位（主軸方位、透過軸方位）を可変設定するアクチュエータであり、検出部は、光学素子の方位を検出するセンサである。第１の駆動・検出部５２は、位相子２２を回転駆動させ、位相子２２の主軸方位φ１を検出する。また、第２の駆動・検出部５４は、検光子２４を回転駆動させ、検光子２４の透過軸方位φ２を検出する。また、第３の駆動・検出部５６は、偏光子１６を回転駆動させ、偏光子１６の透過軸方位φ３を検出する。
【００２９】
１−４．制御装置６０
計測装置１は、計測装置１の動作を制御する制御装置６０を含む。制御装置６０は、演算処理部７０、制御信号生成部８０、記憶部９０を含む。
【００３０】
演算処理部７０は、試料３０を透過した光のストークスパラメータと、位相子２２及び検光子２４の方位（回転角）とを反映した前記変調光の光強度の理論式と、光強度情報取得部４０によって取得された変調光の光強度情報とに基づいて、試料３０を透過した光のストークスパラメータ（偏光状態を示すパラメータ、偏光特性要素）を算出する。
【００３１】
また、演算処理部７０は、試料３０の旋光度及び複屈折位相差と、偏光子１６又は試料３０の方位（回転角）とを反映した前記ストークスパラメータの理論式と、偏光子１６又は試料３０を回転させたときに算出された複数の前記ストークスパラメータとに基づいて、試料３０の旋光度を算出する。また、試料３０の旋光度とともに試料３０の複屈折位相差を算出するようにしてもよい。
【００３２】
制御信号生成部８０は、第１、第２及び第３の駆動・検出部５２、５４、５６からの検出信号に基づいて制御信号を生成し、第１、第２及び第３の駆動・検出部５２、５４、５６の動作を制御する。
【００３３】
記憶部９０は、種々のデータを一時記憶する機能を有し、例えば、変調光の光強度情報を、位相子２２、検光子２４の各方位φ１、φ２に対応付けて記憶し、算出されたストークスパラメータを、偏光子１６の方位φ３に対応付けて記憶するようにしてもよい。
【００３４】
２．旋光度計測原理
次に、本実施形態の計測装置が採用する、旋光度計測原理を説明する。
【００３５】
２−１．試料３０から出射された光のストークスパラメータの算出原理
試料３０から出射された光（試料３０を透過した光）のストークスパラメータ（偏光特性要素の一例）をＳとすると、試料３０から出射された光を変調部２０で変調させることによって得られる変調光のストークスパラメータＳＯＵＴは、
【数１】
と表すことができる。
【００３６】
なお、Ｉ０は、試料３０から出射された光の光強度である。また、Ｒは、位相子２２のミュラー行列であり、Ａは、検光子２４のミュラー行列である。また、δ（λ）は、位相子２２の複屈折位相差である。なお、位相子２２の複屈折位相差は波長依存性を有するため、波長λの関数となる。また、Φは、位相子２２、検光子２４の方位（回転角度）である。なお、式（１）は、位相子２２と検光子２４を１：３の回転比で回転させる場合の理論式であり、位相子２２の主軸方位（回転角度）と検光子２４の透過軸方位（回転角度）を、それぞれΦ、３Φとしている。
【００３７】
ここで、変調光の光強度ＩΦは、変調光のストークスパラメータのＳ０ＯＵＴであるから、式（１）より、
【数２】
となる。
【００３８】
ここで、変調光の光強度ＩΦのフーリエ係数、すなわち光強度ＩΦのバイアス成分ａ０（λ）及び、光強度ＩΦのcos2Φ、cos6Φ、sin2Φ、sin4Φ、sin6Φにおける振幅成分ａ２（λ）、ａ６（λ）、ｂ２（λ）、ｂ４（λ）、ｂ６（λ）は、式（２）より、
【数３】
と表すことができる。
【００３９】
そして、式（３ｂ）〜式（３ｄ）、式（３ｆ）より、位相子２２の複屈折位相差δ（λ）は、
【数４】
と表すことができる。
【００４０】
さらに、式（３ａ）〜式（３ｆ）より、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳの各成分Ｓ０（λ）、Ｓ１（λ）、Ｓ２（λ）、Ｓ３（λ）は、それぞれ、
【数５】
と表すことができる。
【００４１】
ここで、式（３ａ）〜式（３ｆ）の各左辺が示すフーリエ係数は、位相子２２及び検光子２４が１：３の回転比で回転する変調部２０で試料３０から出射された光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報に基づいて、変調光の光強度ＩΦの周期的変化をフーリエ解析することにより算出することができる。そして、算出したフーリエ係数を、式（４）に代入することで、位相子２２の複屈折位相差δ（λ）を算出することができる。また、算出したフーリエ係数及び算出した複屈折位相差δ（λ）を、式（５ａ）〜式（５ｂ）に代入することで、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳの各成分を算出することができる。
【００４２】
なお、ストークスパラメータＳの各成分の算出に先立って、所与の偏光状態を示すサンプル光を変調部２０で変調させることによって得られる変調光の光強度情報と式（４）とに基づいて、位相子２２の各波長に対する複屈折位相差δ（λ）をキャリブレーションデータとして算出して記憶部９０に記憶しておき、以降、記憶部９０に記憶された複屈折位相差δ（λ）を利用してストークスパラメータＳの各成分を算出するようにしてもよい。なお、試料３０を設置しない状態で複屈折位相差δ（λ）を算出するようにしてもよい。この場合には、偏光子１６から出射される直線偏光がサンプル光となる。
【００４３】
２−２ａ．試料３０の旋光度の算出原理（試料３０回転方式）
次に、試料３０を回転可能に構成する場合における、試料３０の旋光度の算出原理について説明する。
【００４４】
偏光子１６に入射する光のストークスパラメータをＳＩＮとすると、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳは、
【数６】
と表すことができる。
【００４５】
なお、Ｐは、透過軸方位が０°である偏光子１６のミュラー行列である。また、Ｘ（θ,Δ,φ）は、試料３０のミュラー行列である。また、θ、Δは、それぞれ試料３０の旋光度、複屈折位相差である。また、φは、試料３０の主軸方位（回転角度）である。
【００４６】
このように本実施形態では、光学活性物質である試料３０を、旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、試料３０の旋光度θ、複屈折位相差Δ及び主軸方位φ（回転角度）を反映したストークスパラメータＳの理論式を定めている。
【００４７】
具体的には、図２に示すように、試料３０を、旋光度θを有する旋光子と、複屈折位相差Δを有する位相子とが１枚ずつ張り合わされたモデルにより近似し、試料３０のミュラー行列Ｘ（θ,Δ,φ）を定めている。なお、試料３０を、旋光子と位相子とを交互にそれぞれ複数枚張り合わせたモデルにより近似するようにしてもよいし、試料３０を、旋光度と複屈折位相差が同時に発生するモデルにより近似するようにしてもよい。
【００４８】
なお、式（６）より、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳは、
【数７】
となる。
【００４９】
ここで、ストークスパラメータＳのＳ１成分のバイアス成分ａ０（Ｓ１）、Ｓ２成分のバイアス成分ａ０（Ｓ２）及び、Ｓ３成分のsin2φにおける振幅成分ｂ２は、式（７）より、
【数８】
と表すことができる。
【００５０】
そして、式（８ａ）、式（８ｂ）より、試料３０の旋光度θは、
【数９】
と表すことができる。
【００５１】
ここで、式（８ａ）、式（８ｂ）の各左辺が示すフーリエ係数ａ０（Ｓ１）、ａ０（Ｓ２）は、試料３０を回転させつつ式（５ｂ）及び式（５ｃ）に基づき算出したストークスパラメータＳのＳ１、Ｓ２成分の周期的変化をフーリエ解析することにより算出することができる。そして、算出したフーリエ係数ａ０（Ｓ１）、ａ０（Ｓ２）を、式（９）に代入することで、試料３０の旋光度θを算出することができる。
【００５２】
また、式（８ｃ）より、試料３０の複屈折位相差Δは、
と表すことができる。
【００５３】
ここで、式（８ｃ）の左辺が示すフーリエ係数ｂ２は、試料３０を回転させつつ式（５ｄ）に基づき算出したストークスパラメータＳのＳ３成分の周期的変化をフーリエ解析することにより算出することができる。そして、算出したフーリエ係数ｂ２を式（１０）に代入することで、試料３０の複屈折位相差Δを算出することができる。
【００５４】
２−２ｂ．試料３０の旋光度の算出原理（偏光子１６回転方式）
次に、偏光子１６を回転可能に構成する場合における、試料３０の旋光度の算出原理について説明する。
【００５５】
偏光子１６に入射する光のストークスパラメータをＳＩＮとすると、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳは、
【数１１】
と表すことができる。
【００５６】
なお、Ｐ（φ）は、偏光子１６のミュラー行列である。また、Ｘ（θ,Δ,ψ）は、試料３０のミュラー行列である。また、θ、Δ、ψは、それぞれ試料３０の旋光度、複屈折位相差、主軸方位である。また、φは、偏光子１６の主軸方位（回転角度）である。２−２a項同様に、光学活性物質である試料３０を、旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、試料３０の旋光度θ、複屈折位相差Δ、及び主軸方位ψと、偏光子１６の主軸方位φ（回転角度）とを反映したストークスパラメータＳの理論式を定めている。
【００５７】
２−２ａ項同様に、試料３０を、旋光度θを有する旋光子と、複屈折位相差Δ及び主軸方位ψを有する位相子とが１枚ずつ張り合わされたモデルにより近似し、試料３０のミュラー行列Ｘ（θ,Δ,ψ）を定めている。なお、試料３０を、旋光子と位相子とを交互にそれぞれ複数枚張り合わせたモデルにより近似するようにしてもよいし、試料３０を、旋光度と複屈折位相差が同時に発生するモデルにより近似するようにしてもよい。
【００５８】
なお、式（１１）より、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳは、
【数１２】
となる。
【００５９】
ここで、ストークスパラメータＳのＳ１成分のcos2φにおける振幅成分a２（Ｓ1）、sin2φにおける振幅成分ｂ２（Ｓ1）、Ｓ２成分のcos2φにおける振幅成分a２（Ｓ２）、sin2φにおける振幅成分ｂ２（Ｓ２）及び、Ｓ３成分のcos2φにおける振幅成分a２（Ｓ３）、sin2φにおける振幅成分ｂ２（Ｓ３）は、式（１２）より、
【数１３】
と表すことができる。
【００６０】
そして、式（１３ａ）、式（１３ｂ）、式（１３ｃ）、式（１３ｄ）より、試料３０の旋光度θは、
【数１４】
と表すことができる。
【００６１】
ここで、式（１３ａ）〜式（１３ｄ）の各左辺が示すフーリエ係数ａ２（Ｓ１）、ｂ２（Ｓ１）、ａ２（Ｓ２） 、ｂ２（Ｓ２）は、位相子１６を回転させつつ式（５ｂ）及び式（５ｃ）に基づき算出したストークスパラメータＳのＳ１、Ｓ２成分の周期的変化をフーリエ解析することにより算出することができる。そして、算出したフーリエ係数ａ２（Ｓ１）、ｂ２（Ｓ１）、ａ２（Ｓ２） 、ｂ２（Ｓ２）を、式（１４）に代入することで、試料３０の旋光度θを算出することができる。
【００６２】
また、式（１３e）、式（１３ｆ）より、試料３０の主軸方位ψは、
【数１５】
と表すことができ、式（１３ｆ）および式（１５）より、試料３０の複屈折位相差Δは、
【数１６】
と表すことができる。
【００６３】
ここで、式（１３e）、式（１３ｆ）の左辺が示すフーリエ係数ａ２（Ｓ３） 、ｂ２（Ｓ３）は、位相子１６を回転させつつ式（５ｄ）に基づき算出したストークスパラメータＳのＳ３成分の周期的変化をフーリエ解析することにより算出することができる。そして、算出したフーリエ係数ａ２（Ｓ３） 、ｂ２（Ｓ３）を式（１５）に代入することで、試料３０の主軸方位ψを算出することができ、また算出したフーリエ係数ｂ２（Ｓ３）と算出した主軸方位ψを式（１６）に代入することで、試料３０の複屈折位相差Δを算出することができる。
【００６４】
このように、本実施形態によれば、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳのＳ１、Ｓ２成分から試料３０の旋光度θを計測することができ、Ｓ３成分から試料３０の複屈折位相差Δを算出することができる。すなわち、本実施形態によれば、試料３０の旋光度θと、計測の誤差要因である複屈折位相差Δを分離して計測することができ、試料３０の旋光度θを高精度に計測することができる。
【００６５】
２−３．水晶の光軸誤差の算出
試料３０として一軸性結晶である水晶板を計測する場合には、算出した複屈折位相差Δから、旋光度の計測誤差要因となる水晶板の光軸誤差（光軸からのズレ）を導出することができる。水晶板の複屈折位相差は、その方向における常光と異常光との差によって表される。水晶板の常光の主屈折率をω、異常光の主屈折率をεとすると、水晶板の光軸とのなす角度α（光軸誤差）での常光ｎｏ、異常光ｎｅは、次式により表される。
【００６６】
【数１７】
【００６７】
また、波長をλ、水晶板の厚みをｄとすると、水晶板の複屈折率Δは、次式により表される。
【００６８】
【数１８】
【００６９】
そして、式（１７ａ）、式（１７ｂ）、式（１８）と、式（１０）もしくは式（１６）に基づき算出した複屈折位相差Δから、水晶板の光軸誤差αを算出することができる。
【００７０】
３．計測手順
次に、本実施形態の計測装置による旋光度の計測手順について、図３のフローチャートを用いて説明する。
【００７１】
まず、偏光子１６の透過軸方位φ３を設定する（ステップＳ１０）。例えば、透過軸方位φ３をφとして、φ＝０°に設定する。なお、偏光子１６を回転可能に構成することに代えて、試料３０を回転可能に構成する場合には、試料３０の主軸方位を設定する。
【００７２】
次に、位相子２２の主軸方位φ１及び検光子２４の透過軸方位φ２を設定する（ステップＳ１２）。例えば、主軸方位φ１と透過軸方位φ２をそれぞれΦ、３Φとして、Φ＝０°に設定する。
【００７３】
この状態で、光源１２から光を出射し、光学素子及び試料３０によって変調された変調光を受光部１４で受光する。そして、光強度情報取得部４０で、受光部１４が受光した変調光の光強度情報を取得する（ステップＳ１４）。
【００７４】
次に、位相子２２の主軸方位φ１（＝Φ）が３６０°に達したか否かを判断し（ステップＳ１６）、達していない場合には、ステップＳ１２の手順に進む。そして、主軸方位φ１及び透過軸方位φ２をそれぞれ所定角度だけ変化させる。例えば、主軸方位φ１と透過軸方位φ２をそれぞれΦ、３Φとして、Φ＝６°に設定する。以降、Φが３６０°に達するまでステップＳ１２、Ｓ１４の手順を繰り返し、複数の光強度情報を取得する。
【００７５】
ステップＳ１６において、Φが３６０°に達したと判断された場合には、取得された複数の光強度情報に基づいて、変調光の光強度ＩΦのフーリエ係数ａ０（λ）、ａ２（λ）、ａ６（λ）、ｂ２（λ）、ｂ４（λ）、ｂ６（λ）の各値を算出する（ステップＳ１８）。
【００７６】
次に、式（４）及び式（５ｂ）〜式（５ｄ）に基づいて、位相子２２の複屈折位相差δ（λ）と、ストークスパラメータＳの各成分Ｓ１（λ）、Ｓ２（λ）、Ｓ３（λ）を算出する（ステップＳ２０）。
【００７７】
次に、偏光子１６の透過軸方位φ３（＝φ）が３６０°に達したか否かを判断し（ステップＳ２２）、達していない場合には、ステップＳ１０の手順に進む。そして、透過軸方位φ３を所定角度だけ変化させる。例えば、透過軸方位φ３をφとして、φ＝６°に設定する。以降、φが３６０°に達するまでステップＳ１０〜Ｓ２０の手順を繰り返し、ストークスパラメータＳの各成分を複数回取得する。
【００７８】
ステップＳ２２において、φが３６０°に達したと判断された場合には、複数回取得されたストークスパラメータＳの各成分に基づいて、ストークスパラメータＳのＳ１、Ｓ２、Ｓ３成分のフーリエ係数ａ２（Ｓ１）、ｂ２（Ｓ１）、ａ２（Ｓ２） 、ｂ２（Ｓ２）、ａ２（Ｓ３） 、ｂ２（Ｓ３）を算出する（ステップ２４）。なお、試料３０を回転可能に構成する場合には、フーリエ係数ａ０（Ｓ１）、ａ０（Ｓ２）、ｂ２を算出する。
【００７９】
次に、式（１４）〜式（１６）に基づいて、試料３０の旋光度θと複屈折位相差Δを算出する（ステップＳ２６）。なお、試料３０を回転可能に構成する場合には、式（９）、式（１０）に基づいて、試料３０の旋光度θと複屈折位相差Δを算出する。
【００８０】
４．計測結果
図４に、本実施形態の計測装置の計測結果を示す。
【００８１】
図４（Ａ）は、各波長における旋光度（旋光分散）を計測した結果であり、図４（Ｂ）は、各波長における複屈折位相差（複屈折分散）を計測した結果である。ここでは、厚さ１．５５ｍｍの水晶板（水晶板Ａ）と、厚さ０．７９ｍｍの水晶板（水晶板Ｂ）の二種類の試料について計測を行った。図４（Ａ）、図４（Ｂ）において、黒塗り点は、水晶板Ａについての計測値を示し、白抜き点は、水晶板Ｂについての計測値を示す。また、実線は、水晶板Ａについての理論値を示し、点線は、水晶板Ｂについての理論値を示す。
【００８２】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）を見ると、水晶板Ａ、水晶板Ｂともに、波長５５０ｎｍ〜９００ｎｍの範囲において、旋光度及び複屈折位相差の計測値は理論値と概ね等しい。従って、本実施形態の計測装置により、試料の旋光度及び複屈折位相差を高精度に計測できることがわかる。
【００８３】
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【００８４】
例えば、本実施形態では、変調部２０が回転可能に構成された位相子２２及び検光子２４とを含む場合について説明したが、試料３０から出射された光のストークスパラメータを計測できるのであれば、変調部２０をどのように構成してもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１２ 光源、１４ 受光部、１６ 偏光子、２０ 変調部、２２ 位相子、２４ 検光子、３０ 試料、４０ 光強度情報取得部、５２ 第１の駆動・検出部、５４ 第２の駆動・検出部、５６ 第３の駆動・検出部、６０ 制御装置、７０ 演算処理部、８０ 制御信号生成部、９０ 記憶部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象の旋光度及び複屈折位相差を計測する計測装置及び計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、回転可能に構成された位相子と検光子を含む変調部で測定対象からの出射光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報に基づいて測定対象からの出射光の偏光状態を計測する計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような計測装置では、計測された偏光状態（ストークスパラメータ）から測定対象の旋光度を計測することができる。
【０００３】
ここで、測定対象として液体を用いる場合には、液体をガラス管などの観測管に入れて測定を行う。ところが、液体を封入する際のガラス管の締め付けによって発生するひずみの影響により、光源からの光がガラス管を通過する際に複屈折成分が生じ、この複屈折成分により旋光度の測定値に誤差が生じる。
【０００４】
また、旋光計の校正用標準物質である水晶板は、光軸方向と垂直な面を切り出し面として加工されるが、実際には光軸に垂直に切り出すことは困難であり、少なからず光軸誤差がある。この水晶板の光軸誤差は複屈折を引き起こし、旋光度の測定の誤差として表れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００７／０９９７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、誤差要因である複屈折成分を分離し、測定対象の旋光度を高精度に計測することが可能な計測装置及び計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明は、測定対象の旋光度及び複屈折位相差を計測する計測装置において、
光源から出射された光の所定の偏光成分を透過させる第１の偏光子と、
前記第１の偏光子を介して前記測定対象を透過した光を変調させる変調部と、
前記変調部で前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記変調光の光強度情報に基づき前記測定対象を透過した光の偏光特性要素を算出する偏光特性要素算出処理を行い、算出された前記偏光特性要素に基づき前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する処理を行う演算処理部とを含み、
前記演算処理部は、
前記測定対象を旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、前記測定対象の旋光度と複屈折位相差とを反映した前記偏光特性要素の理論式と、前記第１の偏光子及び前記測定対象のいずれか一方を回転させて算出した前記偏光特性要素とに基づいて、前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する。
【０００８】
本発明によれば、誤差要因である複屈折成分を分離し、測定対象の旋光度を高精度に計測することができる。
【０００９】
（２）また、本発明において、
前記変調光を分光する分光部と、前記分光部で分光された前記変調光を受光する受光部とを更に含み、
前記光強度情報取得部は、
前記受光部で受光された前記変調光の光強度情報を取得するようにしてもよい。
【００１０】
本発明によれば、複数の波長帯における変調光の光強度を同時に取得することができ、測定対象の各波長での旋光度を計測することができる。
【００１１】
（３）また、本発明において、
前記変調部は、
回転可能に構成された位相子及び第２の偏光子を含み、前記測定対象を透過した光が、前記位相子を透過し、その後、前記第２の偏光子を透過するように構成されてなり、
前記光強度情報取得部は、
前記位相子及び前記第２の偏光子が所与の回転比で回転する前記変調部で前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得するようにしてもよい。
【００１２】
（４）また、本発明において、
前記光強度情報取得部は、
前記位相子及び前記第２の偏光子が１対３の回転比で回転する前記変調部で前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得するようにしてもよい。
【００１３】
（５）また、本発明において、
前記演算処理部は、
前記偏光特性要素算出処理に先だって、所定の偏光状態を示すサンプル光を前記変調部で変調させることによって得られる変調光の光強度情報に基づいて前記位相子の複屈折位相差を算出する処理を行い、
算出された前記位相子の複屈折位相差に基づいて前記偏光特性要素算出処理を行うようにしてもよい。
【００１４】
本発明によれば、位相子の有する複屈折位相差のキャリブレーションを行うことができる。
【００１５】
（６）また、本発明において、
前記演算処理部は、前記測定対象を透過した光のストークスパラメータを算出するようにしてもよい。
【００１６】
（７）本発明は、測定対象の旋光度及び複屈折位相差を計測する計測方法において、
変調部で第１の偏光子を介して前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する光強度情報取得手順と、
前記変調光の光強度情報に基づき前記測定対象を透過した光の偏光特性要素を算出する偏光特性要素算出処理を行い、算出された前記偏光特性要素に基づき前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する処理を行う演算処理手順とを含み、
前記演算処理手順では、
前記測定対象を旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、前記測定対象の旋光度と複屈折位相差とを反映した前記偏光特性要素の理論式と、前記第１の偏光子及び前記測定対象のいずれか一方を回転させて算出した前記偏光特性要素とに基づいて、前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する。
【００１７】
本発明によれば、誤差要因である複屈折成分を分離し、測定対象の旋光度を高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の計測装置の構成の一例を示す図。
【図２】試料のミュラー行列について説明するための図。
【図３】旋光度の測定手順について説明するためのフローチャート図。
【図４】本実施形態の計測装置による測定結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２０】
１．装置の構成
図１は、本実施形態の計測装置の構成の一例を示す図である。本実施形態の計測装置１は、光学活性物質である試料３０（測定対象）の旋光度及び複屈折位相差を光学的に計測する装置として構成されている。計測装置１は、光学系１０と、光強度情報取得部４０と、演算処理部７０とを含む。光強度情報取得部４０は、変調部２０で試料３０を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する。演算処理部７０は、変調光の光強度情報に基づき試料３０を透過した光の偏光特性要素を算出し、算出された偏光特性要素に基づき試料３０の旋光度及び複屈折位相差を算出する処理を行う。以下、計測装置１の装置構成について説明する。
【００２１】
１−１．光学系
光学系１０は、光源１２と受光部１４を含む。また光学系１０は、光源１０と受光部１４とを結ぶ光路Ｌ上に設けられた、偏光子１６（第１の偏光子）、位相子２２（リターダ、波長板）、検光子２４（第２の偏光子）を含む。位相子２２及び検光子２４は、試料３０から出射された光（試料３０を透過した光）を変調させる光学素子である。位相子２２と検光子２４とは、変調部２０を構成する。以下、光学系１０の各要素について説明する。
【００２２】
光源１２は、光を発生し、出射する装置である。本実施形態では、光源１２として、所与の波長帯域成分を含む光を出射する装置を利用してもよい。例えば、光源１２としてハロゲンランプなどの白色光源を利用してもよい。また光源１２は、所与の波長の光（単色光）を出射する光源であってもよい。例えば、光源１２として、レーザやＳＬＤなどを利用してもよい。また光源１２は、出射する光の波長を変更することが可能な構成をなしていてもよい。
【００２３】
偏光子１６は、光源１２から出射された光を直線偏光とする入射側の偏光子である。すなわち偏光子１６は、光源１２から出射された光の所定の偏光成分（透過軸の方向に偏光面を有する直線偏光）を透過させる。また、偏光子１６は、回転可能に構成されてなる。すなわち、偏光子１６を回転させることにより、その透過軸の方位を変更することができるように構成されている。また、偏光子１６を回転可能に構成することに代えて、試料３０を回転可能に構成するようにしてもよい。
【００２４】
位相子２２は、透過する光の波長によってその複屈折位相差の大きさが異なる光学素子である。従って、位相子２２を透過した光は、その波長によって偏光状態が変化することになる。また、位相子２２は、回転可能に構成されてなる。すなわち、位相子２２を回転させることにより、その主軸方位を変更することができるように構成されている。
【００２５】
検光子２４は、位相子２２を透過した光を直線偏光とする出射側の偏光子である。また、検光子２４は、回転可能に構成されてなる。すなわち、検光子２４を回転させることにより、その透過軸の方位を変更することができるように構成されている。
【００２６】
受光部１４は、試料３０を透過した光を変調部２０で変調させることによって得られる光（変調光）を受光する。受光部１４として、例えば、ＣＣＤを利用してもよい。また、試料３０を透過した光及び変調光が、所与の波長帯域成分を含む光（例えば、白色光）である場合、受光部１４は、分光器（分光部）と複数の受光素子を含むようにしてもよい。この場合には、分光器は、変調光を波長毎に分光し、分光器で分光された各波長の変調光は、複数の受光素子の各受光素子によって受光される。分光器として、例えば、プリズムや回折格子を利用することができる。
【００２７】
１−２．光強度情報取得部４０
光強度情報取得部４０は、位相子２２及び検光子２４が所与の回転比で回転する変調部２０で試料３０を透過した光を変調させることによって得られる光（変調光）の光強度情報を取得する。すなわち、光強度情報取得部４０は、受光部１４に入射する光の光強度情報を取得する。例えば、位相子２２の主軸方位φ１と、検光子２４の透過軸方位φ２を、それぞれφ１＝Φ、φ２＝３Φと設定し、Φを０°から３６０°まで連続的に変化させたときの複数の変調光の光強度情報を取得するようにしてもよい。
【００２８】
１−３．駆動・検出部
計測装置１は、第１、第２及び第３の駆動・検出部５２、５４、５６を含む。駆動・検出部のうち、駆動部は、光学素子の方位（主軸方位、透過軸方位）を可変設定するアクチュエータであり、検出部は、光学素子の方位を検出するセンサである。第１の駆動・検出部５２は、位相子２２を回転駆動させ、位相子２２の主軸方位φ１を検出する。また、第２の駆動・検出部５４は、検光子２４を回転駆動させ、検光子２４の透過軸方位φ２を検出する。また、第３の駆動・検出部５６は、偏光子１６を回転駆動させ、偏光子１６の透過軸方位φ３を検出する。
【００２９】
１−４．制御装置６０
計測装置１は、計測装置１の動作を制御する制御装置６０を含む。制御装置６０は、演算処理部７０、制御信号生成部８０、記憶部９０を含む。
【００３０】
演算処理部７０は、試料３０を透過した光のストークスパラメータと、位相子２２及び検光子２４の方位（回転角）とを反映した前記変調光の光強度の理論式と、光強度情報取得部４０によって取得された変調光の光強度情報とに基づいて、試料３０を透過した光のストークスパラメータ（偏光状態を示すパラメータ、偏光特性要素）を算出する。
【００３１】
また、演算処理部７０は、試料３０の旋光度及び複屈折位相差と、偏光子１６又は試料３０の方位（回転角）とを反映した前記ストークスパラメータの理論式と、偏光子１６又は試料３０を回転させたときに算出された複数の前記ストークスパラメータとに基づいて、試料３０の旋光度を算出する。また、試料３０の旋光度とともに試料３０の複屈折位相差を算出するようにしてもよい。
【００３２】
制御信号生成部８０は、第１、第２及び第３の駆動・検出部５２、５４、５６からの検出信号に基づいて制御信号を生成し、第１、第２及び第３の駆動・検出部５２、５４、５６の動作を制御する。
【００３３】
記憶部９０は、種々のデータを一時記憶する機能を有し、例えば、変調光の光強度情報を、位相子２２、検光子２４の各方位φ１、φ２に対応付けて記憶し、算出されたストークスパラメータを、偏光子１６の方位φ３に対応付けて記憶するようにしてもよい。
【００３４】
２．旋光度計測原理
次に、本実施形態の計測装置が採用する、旋光度計測原理を説明する。
【００３５】
２−１．試料３０から出射された光のストークスパラメータの算出原理
試料３０から出射された光（試料３０を透過した光）のストークスパラメータ（偏光特性要素の一例）をＳとすると、試料３０から出射された光を変調部２０で変調させることによって得られる変調光のストークスパラメータＳＯＵＴは、
【数１】
と表すことができる。
【００３６】
なお、Ｉ０は、試料３０から出射された光の光強度である。また、Ｒは、位相子２２のミュラー行列であり、Ａは、検光子２４のミュラー行列である。また、δ（λ）は、位相子２２の複屈折位相差である。なお、位相子２２の複屈折位相差は波長依存性を有するため、波長λの関数となる。また、Φは、位相子２２、検光子２４の方位（回転角度）である。なお、式（１）は、位相子２２と検光子２４を１：３の回転比で回転させる場合の理論式であり、位相子２２の主軸方位（回転角度）と検光子２４の透過軸方位（回転角度）を、それぞれΦ、３Φとしている。
【００３７】
ここで、変調光の光強度ＩΦは、変調光のストークスパラメータのＳ０ＯＵＴであるから、式（１）より、
【数２】
となる。
【００３８】
ここで、変調光の光強度ＩΦのフーリエ係数、すなわち光強度ＩΦのバイアス成分ａ０（λ）及び、光強度ＩΦのcos2Φ、cos6Φ、sin2Φ、sin4Φ、sin6Φにおける振幅成分ａ２（λ）、ａ６（λ）、ｂ２（λ）、ｂ４（λ）、ｂ６（λ）は、式（２）より、
【数３】
と表すことができる。
【００３９】
そして、式（３ｂ）〜式（３ｄ）、式（３ｆ）より、位相子２２の複屈折位相差δ（λ）は、
【数４】
と表すことができる。
【００４０】
さらに、式（３ａ）〜式（３ｆ）より、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳの各成分Ｓ０（λ）、Ｓ１（λ）、Ｓ２（λ）、Ｓ３（λ）は、それぞれ、
【数５】
と表すことができる。
【００４１】
ここで、式（３ａ）〜式（３ｆ）の各左辺が示すフーリエ係数は、位相子２２及び検光子２４が１：３の回転比で回転する変調部２０で試料３０から出射された光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報に基づいて、変調光の光強度ＩΦの周期的変化をフーリエ解析することにより算出することができる。そして、算出したフーリエ係数を、式（４）に代入することで、位相子２２の複屈折位相差δ（λ）を算出することができる。また、算出したフーリエ係数及び算出した複屈折位相差δ（λ）を、式（５ａ）〜式（５ｂ）に代入することで、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳの各成分を算出することができる。
【００４２】
なお、ストークスパラメータＳの各成分の算出に先立って、所与の偏光状態を示すサンプル光を変調部２０で変調させることによって得られる変調光の光強度情報と式（４）とに基づいて、位相子２２の各波長に対する複屈折位相差δ（λ）をキャリブレーションデータとして算出して記憶部９０に記憶しておき、以降、記憶部９０に記憶された複屈折位相差δ（λ）を利用してストークスパラメータＳの各成分を算出するようにしてもよい。なお、試料３０を設置しない状態で複屈折位相差δ（λ）を算出するようにしてもよい。この場合には、偏光子１６から出射される直線偏光がサンプル光となる。
【００４３】
２−２ａ．試料３０の旋光度の算出原理（試料３０回転方式）
次に、試料３０を回転可能に構成する場合における、試料３０の旋光度の算出原理について説明する。
【００４４】
偏光子１６に入射する光のストークスパラメータをＳＩＮとすると、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳは、
【数６】
と表すことができる。
【００４５】
なお、Ｐは、透過軸方位が０°である偏光子１６のミュラー行列である。また、Ｘ（θ,Δ,φ）は、試料３０のミュラー行列である。また、θ、Δは、それぞれ試料３０の旋光度、複屈折位相差である。また、φは、試料３０の主軸方位（回転角度）である。
【００４６】
このように本実施形態では、光学活性物質である試料３０を、旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、試料３０の旋光度θ、複屈折位相差Δ及び主軸方位φ（回転角度）を反映したストークスパラメータＳの理論式を定めている。
【００４７】
具体的には、図２に示すように、試料３０を、旋光度θを有する旋光子と、複屈折位相差Δを有する位相子とが１枚ずつ張り合わされたモデルにより近似し、試料３０のミュラー行列Ｘ（θ,Δ,φ）を定めている。なお、試料３０を、旋光子と位相子とを交互にそれぞれ複数枚張り合わせたモデルにより近似するようにしてもよいし、試料３０を、旋光度と複屈折位相差が同時に発生するモデルにより近似するようにしてもよい。
【００４８】
なお、式（６）より、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳは、
【数７】
となる。
【００４９】
ここで、ストークスパラメータＳのＳ１成分のバイアス成分ａ０（Ｓ１）、Ｓ２成分のバイアス成分ａ０（Ｓ２）及び、Ｓ３成分のsin2φにおける振幅成分ｂ２は、式（７）より、
【数８】
と表すことができる。
【００５０】
そして、式（８ａ）、式（８ｂ）より、試料３０の旋光度θは、
【数９】
と表すことができる。
【００５１】
ここで、式（８ａ）、式（８ｂ）の各左辺が示すフーリエ係数ａ０（Ｓ１）、ａ０（Ｓ２）は、試料３０を回転させつつ式（５ｂ）及び式（５ｃ）に基づき算出したストークスパラメータＳのＳ１、Ｓ２成分の周期的変化をフーリエ解析することにより算出することができる。そして、算出したフーリエ係数ａ０（Ｓ１）、ａ０（Ｓ２）を、式（９）に代入することで、試料３０の旋光度θを算出することができる。
【００５２】
また、式（８ｃ）より、試料３０の複屈折位相差Δは、
と表すことができる。
【００５３】
ここで、式（８ｃ）の左辺が示すフーリエ係数ｂ２は、試料３０を回転させつつ式（５ｄ）に基づき算出したストークスパラメータＳのＳ３成分の周期的変化をフーリエ解析することにより算出することができる。そして、算出したフーリエ係数ｂ２を式（１０）に代入することで、試料３０の複屈折位相差Δを算出することができる。
【００５４】
２−２ｂ．試料３０の旋光度の算出原理（偏光子１６回転方式）
次に、偏光子１６を回転可能に構成する場合における、試料３０の旋光度の算出原理について説明する。
【００５５】
偏光子１６に入射する光のストークスパラメータをＳＩＮとすると、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳは、
【数１１】
と表すことができる。
【００５６】
なお、Ｐ（φ）は、偏光子１６のミュラー行列である。また、Ｘ（θ,Δ,ψ）は、試料３０のミュラー行列である。また、θ、Δ、ψは、それぞれ試料３０の旋光度、複屈折位相差、主軸方位である。また、φは、偏光子１６の主軸方位（回転角度）である。２−２a項同様に、光学活性物質である試料３０を、旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、試料３０の旋光度θ、複屈折位相差Δ、及び主軸方位ψと、偏光子１６の主軸方位φ（回転角度）とを反映したストークスパラメータＳの理論式を定めている。
【００５７】
２−２ａ項同様に、試料３０を、旋光度θを有する旋光子と、複屈折位相差Δ及び主軸方位ψを有する位相子とが１枚ずつ張り合わされたモデルにより近似し、試料３０のミュラー行列Ｘ（θ,Δ,ψ）を定めている。なお、試料３０を、旋光子と位相子とを交互にそれぞれ複数枚張り合わせたモデルにより近似するようにしてもよいし、試料３０を、旋光度と複屈折位相差が同時に発生するモデルにより近似するようにしてもよい。
【００５８】
なお、式（１１）より、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳは、
【数１２】
となる。
【００５９】
ここで、ストークスパラメータＳのＳ１成分のcos2φにおける振幅成分a２（Ｓ1）、sin2φにおける振幅成分ｂ２（Ｓ1）、Ｓ２成分のcos2φにおける振幅成分a２（Ｓ２）、sin2φにおける振幅成分ｂ２（Ｓ２）及び、Ｓ３成分のcos2φにおける振幅成分a２（Ｓ３）、sin2φにおける振幅成分ｂ２（Ｓ３）は、式（１２）より、
【数１３】
と表すことができる。
【００６０】
そして、式（１３ａ）、式（１３ｂ）、式（１３ｃ）、式（１３ｄ）より、試料３０の旋光度θは、
【数１４】
と表すことができる。
【００６１】
ここで、式（１３ａ）〜式（１３ｄ）の各左辺が示すフーリエ係数ａ２（Ｓ１）、ｂ２（Ｓ１）、ａ２（Ｓ２） 、ｂ２（Ｓ２）は、位相子１６を回転させつつ式（５ｂ）及び式（５ｃ）に基づき算出したストークスパラメータＳのＳ１、Ｓ２成分の周期的変化をフーリエ解析することにより算出することができる。そして、算出したフーリエ係数ａ２（Ｓ１）、ｂ２（Ｓ１）、ａ２（Ｓ２） 、ｂ２（Ｓ２）を、式（１４）に代入することで、試料３０の旋光度θを算出することができる。
【００６２】
また、式（１３e）、式（１３ｆ）より、試料３０の主軸方位ψは、
【数１５】
と表すことができ、式（１３ｆ）および式（１５）より、試料３０の複屈折位相差Δは、
【数１６】
と表すことができる。
【００６３】
ここで、式（１３e）、式（１３ｆ）の左辺が示すフーリエ係数ａ２（Ｓ３） 、ｂ２（Ｓ３）は、位相子１６を回転させつつ式（５ｄ）に基づき算出したストークスパラメータＳのＳ３成分の周期的変化をフーリエ解析することにより算出することができる。そして、算出したフーリエ係数ａ２（Ｓ３） 、ｂ２（Ｓ３）を式（１５）に代入することで、試料３０の主軸方位ψを算出することができ、また算出したフーリエ係数ｂ２（Ｓ３）と算出した主軸方位ψを式（１６）に代入することで、試料３０の複屈折位相差Δを算出することができる。
【００６４】
このように、本実施形態によれば、試料３０から出射された光のストークスパラメータＳのＳ１、Ｓ２成分から試料３０の旋光度θを計測することができ、Ｓ３成分から試料３０の複屈折位相差Δを算出することができる。すなわち、本実施形態によれば、試料３０の旋光度θと、計測の誤差要因である複屈折位相差Δを分離して計測することができ、試料３０の旋光度θを高精度に計測することができる。
【００６５】
２−３．水晶の光軸誤差の算出
試料３０として一軸性結晶である水晶板を計測する場合には、算出した複屈折位相差Δから、旋光度の計測誤差要因となる水晶板の光軸誤差（光軸からのズレ）を導出することができる。水晶板の複屈折位相差は、その方向における常光と異常光との差によって表される。水晶板の常光の主屈折率をω、異常光の主屈折率をεとすると、水晶板の光軸とのなす角度α（光軸誤差）での常光ｎｏ、異常光ｎｅは、次式により表される。
【００６６】
【数１７】
【００６７】
また、波長をλ、水晶板の厚みをｄとすると、水晶板の複屈折率Δは、次式により表される。
【００６８】
【数１８】
【００６９】
そして、式（１７ａ）、式（１７ｂ）、式（１８）と、式（１０）もしくは式（１６）に基づき算出した複屈折位相差Δから、水晶板の光軸誤差αを算出することができる。
【００７０】
３．計測手順
次に、本実施形態の計測装置による旋光度の計測手順について、図３のフローチャートを用いて説明する。
【００７１】
まず、偏光子１６の透過軸方位φ３を設定する（ステップＳ１０）。例えば、透過軸方位φ３をφとして、φ＝０°に設定する。なお、偏光子１６を回転可能に構成することに代えて、試料３０を回転可能に構成する場合には、試料３０の主軸方位を設定する。
【００７２】
次に、位相子２２の主軸方位φ１及び検光子２４の透過軸方位φ２を設定する（ステップＳ１２）。例えば、主軸方位φ１と透過軸方位φ２をそれぞれΦ、３Φとして、Φ＝０°に設定する。
【００７３】
この状態で、光源１２から光を出射し、光学素子及び試料３０によって変調された変調光を受光部１４で受光する。そして、光強度情報取得部４０で、受光部１４が受光した変調光の光強度情報を取得する（ステップＳ１４）。
【００７４】
次に、位相子２２の主軸方位φ１（＝Φ）が３６０°に達したか否かを判断し（ステップＳ１６）、達していない場合には、ステップＳ１２の手順に進む。そして、主軸方位φ１及び透過軸方位φ２をそれぞれ所定角度だけ変化させる。例えば、主軸方位φ１と透過軸方位φ２をそれぞれΦ、３Φとして、Φ＝６°に設定する。以降、Φが３６０°に達するまでステップＳ１２、Ｓ１４の手順を繰り返し、複数の光強度情報を取得する。
【００７５】
ステップＳ１６において、Φが３６０°に達したと判断された場合には、取得された複数の光強度情報に基づいて、変調光の光強度ＩΦのフーリエ係数ａ０（λ）、ａ２（λ）、ａ６（λ）、ｂ２（λ）、ｂ４（λ）、ｂ６（λ）の各値を算出する（ステップＳ１８）。
【００７６】
次に、式（４）及び式（５ｂ）〜式（５ｄ）に基づいて、位相子２２の複屈折位相差δ（λ）と、ストークスパラメータＳの各成分Ｓ１（λ）、Ｓ２（λ）、Ｓ３（λ）を算出する（ステップＳ２０）。
【００７７】
次に、偏光子１６の透過軸方位φ３（＝φ）が３６０°に達したか否かを判断し（ステップＳ２２）、達していない場合には、ステップＳ１０の手順に進む。そして、透過軸方位φ３を所定角度だけ変化させる。例えば、透過軸方位φ３をφとして、φ＝６°に設定する。以降、φが３６０°に達するまでステップＳ１０〜Ｓ２０の手順を繰り返し、ストークスパラメータＳの各成分を複数回取得する。
【００７８】
ステップＳ２２において、φが３６０°に達したと判断された場合には、複数回取得されたストークスパラメータＳの各成分に基づいて、ストークスパラメータＳのＳ１、Ｓ２、Ｓ３成分のフーリエ係数ａ２（Ｓ１）、ｂ２（Ｓ１）、ａ２（Ｓ２） 、ｂ２（Ｓ２）、ａ２（Ｓ３） 、ｂ２（Ｓ３）を算出する（ステップ２４）。なお、試料３０を回転可能に構成する場合には、フーリエ係数ａ０（Ｓ１）、ａ０（Ｓ２）、ｂ２を算出する。
【００７９】
次に、式（１４）〜式（１６）に基づいて、試料３０の旋光度θと複屈折位相差Δを算出する（ステップＳ２６）。なお、試料３０を回転可能に構成する場合には、式（９）、式（１０）に基づいて、試料３０の旋光度θと複屈折位相差Δを算出する。
【００８０】
４．計測結果
図４に、本実施形態の計測装置の計測結果を示す。
【００８１】
図４（Ａ）は、各波長における旋光度（旋光分散）を計測した結果であり、図４（Ｂ）は、各波長における複屈折位相差（複屈折分散）を計測した結果である。ここでは、厚さ１．５５ｍｍの水晶板（水晶板Ａ）と、厚さ０．７９ｍｍの水晶板（水晶板Ｂ）の二種類の試料について計測を行った。図４（Ａ）、図４（Ｂ）において、黒塗り点は、水晶板Ａについての計測値を示し、白抜き点は、水晶板Ｂについての計測値を示す。また、実線は、水晶板Ａについての理論値を示し、点線は、水晶板Ｂについての理論値を示す。
【００８２】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）を見ると、水晶板Ａ、水晶板Ｂともに、波長５５０ｎｍ〜９００ｎｍの範囲において、旋光度及び複屈折位相差の計測値は理論値と概ね等しい。従って、本実施形態の計測装置により、試料の旋光度及び複屈折位相差を高精度に計測できることがわかる。
【００８３】
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【００８４】
例えば、本実施形態では、変調部２０が回転可能に構成された位相子２２及び検光子２４とを含む場合について説明したが、試料３０から出射された光のストークスパラメータを計測できるのであれば、変調部２０をどのように構成してもよい。
【符号の説明】
【００８５】
１２ 光源、１４ 受光部、１６ 偏光子、２０ 変調部、２２ 位相子、２４ 検光子、３０ 試料、４０ 光強度情報取得部、５２ 第１の駆動・検出部、５４ 第２の駆動・検出部、５６ 第３の駆動・検出部、６０ 制御装置、７０ 演算処理部、８０ 制御信号生成部、９０ 記憶部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の旋光度及び複屈折位相差を計測する計測装置において、
光源から出射された光の所定の偏光成分を透過させる第１の偏光子と、
前記第１の偏光子を介して前記測定対象を透過した光を変調させる変調部と、
前記変調部で前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記変調光の光強度情報に基づき前記測定対象を透過した光の偏光特性要素を算出する偏光特性要素算出処理を行い、算出された前記偏光特性要素に基づき前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する処理を行う演算処理部とを含み、
前記演算処理部は、
前記測定対象を旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、前記測定対象の旋光度と複屈折位相差とを反映した前記偏光特性要素の理論式と、前記第１の偏光子及び前記測定対象のいずれか一方を回転させて算出した前記偏光特性要素とに基づいて、前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の計測装置において、
前記変調光を分光する分光部と、前記分光部で分光された前記変調光を受光する受光部とを更に含み、
前記光強度情報取得部は、
前記受光部で受光された前記変調光の光強度情報を取得する計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の計測装置において、
前記変調部は、
回転可能に構成された位相子及び第２の偏光子を含み、前記測定対象を透過した光が、前記位相子を透過し、その後、前記第２の偏光子を透過するように構成されてなり、
前記光強度情報取得部は、
前記位相子及び前記第２の偏光子が所与の回転比で回転する前記変調部で前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する計測装置。
【請求項４】
請求項３に記載の計測装置において、
前記光強度情報取得部は、
前記位相子及び前記第２の偏光子が１対３の回転比で回転する前記変調部で前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する計測装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の計測装置において、
前記演算処理部は、
前記偏光特性要素算出処理に先だって、所定の偏光状態を示すサンプル光を前記変調部で変調させることによって得られる変調光の光強度情報に基づいて前記位相子の複屈折位相差を算出する処理を行い、
算出された前記位相子の複屈折位相差に基づいて前記偏光特性要素算出処理を行う計測装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の計測装置において、
前記演算処理部は、前記測定対象を透過した光のストークスパラメータを算出する計測装置。
【請求項７】
測定対象の旋光度及び複屈折位相差を計測する計測方法において、
変調部で第１の偏光子を介して前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する光強度情報取得手順と、
前記変調光の光強度情報に基づき前記測定対象を透過した光の偏光特性要素を算出する偏光特性要素算出処理を行い、算出された前記偏光特性要素に基づき前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する処理を行う演算処理手順とを含み、
前記演算処理手順では、
前記測定対象を旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、前記測定対象の旋光度と複屈折位相差とを反映した前記偏光特性要素の理論式と、前記第１の偏光子及び前記測定対象のいずれか一方を回転させて算出した前記偏光特性要素とに基づいて、前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する計測方法。
【請求項１】
測定対象の旋光度及び複屈折位相差を計測する計測装置において、
光源から出射された光の所定の偏光成分を透過させる第１の偏光子と、
前記第１の偏光子を介して前記測定対象を透過した光を変調させる変調部と、
前記変調部で前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記変調光の光強度情報に基づき前記測定対象を透過した光の偏光特性要素を算出する偏光特性要素算出処理を行い、算出された前記偏光特性要素に基づき前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する処理を行う演算処理部とを含み、
前記演算処理部は、
前記測定対象を旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、前記測定対象の旋光度と複屈折位相差とを反映した前記偏光特性要素の理論式と、前記第１の偏光子及び前記測定対象のいずれか一方を回転させて算出した前記偏光特性要素とに基づいて、前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の計測装置において、
前記変調光を分光する分光部と、前記分光部で分光された前記変調光を受光する受光部とを更に含み、
前記光強度情報取得部は、
前記受光部で受光された前記変調光の光強度情報を取得する計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の計測装置において、
前記変調部は、
回転可能に構成された位相子及び第２の偏光子を含み、前記測定対象を透過した光が、前記位相子を透過し、その後、前記第２の偏光子を透過するように構成されてなり、
前記光強度情報取得部は、
前記位相子及び前記第２の偏光子が所与の回転比で回転する前記変調部で前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する計測装置。
【請求項４】
請求項３に記載の計測装置において、
前記光強度情報取得部は、
前記位相子及び前記第２の偏光子が１対３の回転比で回転する前記変調部で前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する計測装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の計測装置において、
前記演算処理部は、
前記偏光特性要素算出処理に先だって、所定の偏光状態を示すサンプル光を前記変調部で変調させることによって得られる変調光の光強度情報に基づいて前記位相子の複屈折位相差を算出する処理を行い、
算出された前記位相子の複屈折位相差に基づいて前記偏光特性要素算出処理を行う計測装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の計測装置において、
前記演算処理部は、前記測定対象を透過した光のストークスパラメータを算出する計測装置。
【請求項７】
測定対象の旋光度及び複屈折位相差を計測する計測方法において、
変調部で第１の偏光子を介して前記測定対象を透過した光を変調させることによって得られる変調光の光強度情報を取得する光強度情報取得手順と、
前記変調光の光強度情報に基づき前記測定対象を透過した光の偏光特性要素を算出する偏光特性要素算出処理を行い、算出された前記偏光特性要素に基づき前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する処理を行う演算処理手順とを含み、
前記演算処理手順では、
前記測定対象を旋光度と複屈折位相差とを有するものとみなし、前記測定対象の旋光度と複屈折位相差とを反映した前記偏光特性要素の理論式と、前記第１の偏光子及び前記測定対象のいずれか一方を回転させて算出した前記偏光特性要素とに基づいて、前記測定対象の旋光度及び複屈折位相差を算出する計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２７１２７９（Ｐ２０１０−２７１２７９Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２５５６６（Ｐ２００９−１２５５６６）
【出願日】平成２１年５月２５日（２００９．５．２５）
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【出願人】（３９００１３２３９）株式会社アタゴ (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２５日（２００９．５．２５）
【出願人】（５０４１３２８８１）国立大学法人東京農工大学 (595)
【出願人】（３９００１３２３９）株式会社アタゴ (12)
【Ｆターム（参考）】
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