JP4556463B2 - 複屈折率測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は光学材料や生体の複屈折率測定器に関するものである。さらに詳述すれば本発明はピックアップ光学系用レンズや液晶表示用材料の複屈折やグルコース濃度などを簡略に測定できる高精度で低価格な複屈折率測定器に関するものである。
従来の複屈折率の測定法に被測定媒体の偏光状態をミューラー行列として求める方法がある。これによって複屈折率、偏光度、偏光依存損失などすべての偏光特性が解析できる。この方法では入射側で４種類の偏光状態を作り出す必要がある。
従来のもうひとつの複屈折率の測定法は複屈折分散を測定するもので光源にハロゲンランプなどの白色光を用い平行ニコル間にサンプルを置きその透過光が波数に対し余弦状に変化する原理から透過光強度を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）法により複屈折を解析するものである。この方法は液晶などの検査に用いられている。この方法では分光器を必要としＦＦＴという解析装置が必要である。またこの方法ではミリラディアンの微小な複屈折率が測定できない。
従来のもうひとつの複屈折率の測定法は入射偏光を変化させて試料を通過した光の幾何学的位相をポアンカレー球上に表示させ複屈折が存在した場合の各入射偏光状態に対応する球状の点が囲む面積から複屈折率を求めるものである。この方法においても入射側で複数の偏光状態を作り出す必要がある。すなわち従来の複屈折測定器はいずれも装置が大掛かりで高価であった。従来の複屈折率の測定方法の比較は非特許文献１に記載されている。また糖尿病の検査にグルコースを透過する光の旋回性を測定する方法に関しては非特許文献２に記載されている。鉛ガラスのベルデ定数を利用し入射偏光状態を変調し検光子を通過する光の変化をロックインアンプで検出するものである。健康な人で０．００５度という微小な旋光角の測定が必要であることが記載されている。この測定方法は装置が大掛かりであるということおよび鉛ガラスの温度特性の影響を受けやすいという課題がある。
大谷幸利氏「総論：偏光・複屈折計測における最近の話題」O Ｐｌｕｓ E ２００３年１１月号ＰＰ．１２２０−１２２５． 横田正幸他、「鉛ガラスファイバ偏光変調器を用いたグルコースセンサー」、第３１回光波センシング技術研究会、ＬＳＴ３１−８，ＰＰ．５１−５６，２００３年８月．
本発明が解決しようとする課題は従来の複屈折率測定器を大幅に簡略化し安価でコンパクトな複屈折率測定器を提供することにある。
上記の目的を達成するために本発明に係わる複屈折率測定方法はリング干渉計のループ光路の途中に非相反光学系を設け直交する偏光モードが被測定試料を両方向に伝播するように設計しリング干渉計として光ファイバジャイロの信号処理技術を応用したことにある。
光ファイバジャイロに関しては非特許文献３に詳しく記載されている。
梶岡、於保、「光ファイバジャイロの開発」、第3回光波センシング技術研究会、ＬＳＴ３−９，ＰＰ．５５−６２，１９８９年６月．
本発明の原理は光の干渉を利用しているので非常に高精度に複屈折率を測定できる。またリング干渉計として商用されている非常にコンパクトで低価格光ファイバジャイロの基本光学系と信号処理回路を検出器として使うので従来型より大幅に安価で小型の複屈折率測定装置が提供できる。
図１にて一実施例を説明する。図１は本発明の基本構成図を示している。光源１から発せられた光はカップラ２１と偏光子３１を経てカップラ２２で左右両周り光に分岐される。図１において時計方向の光は偏光保持ファイバ５のループを伝播し非相反光学系７を通過し位相変調器４を通過してカップラ２２に戻ってくる。一方反時計方向の光ははじめに位相変調器４を通過し、非相反光学系７を通過して光ファイバループ状の偏光保持ファイバ５を伝播しカップラ２２に戻る。これら左右両周り光はカップラ２２で干渉し干渉強度は偏光子３１、カップラ２１を介して受光器９で電気信号に変換され光ファイバジャイロの信号処理回路１０によって左右両周り光の位相差を電圧として出力する。ここで用いた光ファイバジャイロは非特許文献３に記載されている干渉法に基づくものである。ループ長は２００ｍ、位相変調器はＰＺＴで共振周波数は２０ＫＨｚである。
光ファイバジャイロはファイバループを含む系が回転するとＳａｇｎａｃ効果によって左右両周り光に位相差が発生しその位相差を測定する装置である。図２は図１の非相反光学系の詳細構成図である。４５度ファラデー回転光学系６１、６２はそれぞれレンズ１１１，１１２、偏光子３２，３３、４５度ファラデー回転素子１２１，１２２から構成される。被測定試料８は対抗コリメータの間に置かれる。試料８は回転およびＸ−Ｙ微動ステージ上にセットされる。
このような光学系において光源から発せられた光がどのように試料中を伝播するかについて以下説明する。光源１は広帯域な光源が望ましくここでは波長８００ｎｍのＳＬＤを用いた。リング干渉計の光ファイバは偏光保持ファイバを用いた。ここではコアが楕円の単一モード光ファイバを用いた。左右両周り光は偏光子３１によって楕円の長軸方向に偏波した固有偏光モードとして伝播する。時計方向の直線偏光はレンズ１１２で平行光に変換され４５度ファラデー回転光学系６２によって偏光面が４５度右に回転する。一方反時計方向の直線偏光はレンズ１１１で平行光に変換され４５度ファラデー回転光学系６１によって偏光面が４５度左に回転する。すなわち左右両周り光は試料８に対して直交した偏波面で試料に入射される。ここで試料を回転し左右両周り光が試料の固有偏光軸に整合するように調整すると試料を通過した時計方向の光は４５度ファラデー回転光学系６１で楕円の長軸方向の直線偏光でループの偏光保持ファイバに再入射する。一方反時計方向の光は４５度ファラデー回転光学系６２で楕円の長軸方向の直線偏光でループの偏光保持ファイバに再入射する。ここで試料に複屈折がなければ左右両周り光は同一の行路を通るので位相差は発生しない。試料に複屈折があると左右両周り光の位相差として光ジャイロの検出系１０によって検出される。
図３は非相反光学系７において左右両周り光が右円偏光および左円偏光となるようにした光学系の構成図である。図２との違いは4分の１波長板１３１、１３２を用いたことである。
このような非相反光学系を用いると左右両周り光が左まわり円偏光、右まわり円偏光として試料を伝播するので血液などの試料に旋光性があれば左右両周り光に位相差が発生し光ジャイロの検出器で検出される。
図４は本発明の複屈折測定装置の生体検査への一適用例を示す。被測定対象８は皮膚あるいは眼球でありミラー１４１，１４２を用いて左右両周り光を試料に照射しその散乱光を検出している。この構成で生体に含まれるグルコースの濃度による旋光角を測定できる。
本発明複屈折測定法の原理を示す基本構成図 本発明非相反光学系の構成図 本発明旋光角測定用非相反光学系の構成図 本発明旋光角測定の一応用例を示す構成図
符号の説明
1：光源（SLD）
２１，２２：カップラ
３１，３２，３３：偏光子
４：位相変調器
５：偏光保持光ファイバループ
６１，６２：４５度ファラデー回転光学系
７：非相反光学系
８：被測定試料
９：受光器
１０：光ジャイロ信号処理回路
１１１，１１２：コリメートレンズ
１２１，１２２：45度ファラデー回転素子
１３１，１３２：4分の１波長板
１４１，１４２：ミラー

Claims (3)

  1. 左右両回り光の位相差を測定するリング干渉計を用いて被測定媒体の複屈折率を測定することができる複屈折測定装置において、前記複屈折測定装置は、その構成要素として、少なくとも、位相変調手段と、前記リング干渉計のループ光路の途中に配置された被測定媒体を配置する被測定媒体配置部分と、前記リング干渉計のループ光路上において前記ループ光路の途中に前記被測定媒体配置部分を挟んで互いに対向するように配置されている一対のコリメータと、前記各コリメータの前記被測定媒体配置部分と反対側の前記リング干渉計のループ光路を構成するように配置された偏光保持光ファイバを有しており、前記互いに対向するように配置されているコリメータはそれぞれレンズと偏光子と偏光面回転素子を有する非相反コリメータ光学系を形成しており、前記偏光面回転素子は当該偏光面回転素子の一方の側から信号光としての偏光ビームを入射させたときには当該信号光の偏光面を当該信号光の進行方向に向かって時計回りまたは反時計回りに所定角度だけ回転させ、当該偏光面回転素子の他方の側から信号光として偏光ビームを入射させたときには当該信号光の偏光面を当該信号光の進行方向に向かって前記一方の側から入射させた場合とは逆方向に所定角度だけ回転させるように作用する偏光面回転素子であり、光ファイバ内では同一の偏光状態で進行する右回り信号光と左回り信号光が前記被測定媒体の部分においては互いに直交する直線偏光状態で進行するようにすることができる装置であることを特徴とする複屈折測定装置。
  2. 左右両回り光の位相差を測定するリング干渉計を用いて被測定媒体の複屈折率を測定することができる複屈折測定装置において、前記複屈折測定装置は、その構成要素として、少なくとも、位相変調手段と、前記リング干渉計のループ光路の途中に配置された被測定媒体を配置する被測定媒体配置部分と、前記リング干渉計のループ光路上において前記ループ光路の途中に前記被測定媒体配置部分を挟んで互いに対向するように配置されている一対のコリメータと、前記各コリメータの前記被測定媒体配置部分と反対側の前記リング干渉計のループ光路を構成するように配置された偏光保持光ファイバを有しており、前記互いに対向するように配置されているコリメータはそれぞれレンズと偏光子と偏光面回転素子と偏光変換素子を有する非相反コリメータ光学系を形成しており、前記偏光面回転素子は当該偏光面回転素子の一方の側から信号光としての偏光ビームを入射させたときには当該信号光の偏光面を当該信号光の進行方向に向かって時計回りまたは反時計回りに所定角度だけ回転させ、当該偏光面回転素子の他方の側から信号光としての偏光ビームを入射させたときには当該信号光の偏光面を当該信号光の進行方向に向かって前記一方の側から 入射させた場合とは逆方向に所定角度だけ回転させるように作用する偏光面回転素子であり、前記偏光変換素子は直線偏光を円偏光に変換する素子であり、光ファイバ内では同一の偏光状態で進行する右回り信号光と左回り信号光が前記被測定媒体の部分においては互いに直交する円偏光状態で進行するようにすることができる装置であることを特徴とする複屈折測定装置。
  3. 請求項１または２に記載の複屈折測定装置において、前記複屈折測定装置は、前記各非相反コリメータ光学系それぞれからの出射光を前記被測定媒体配置部分に配置された被測定媒体に照射し、前記被測定媒体から前記ループ光路に伝搬される光をカプラーを介して検出して前記被測定媒体の複屈折率を測定することができるように構成されていることを特徴とする複屈折測定装置。
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