JP5374762B2 - 反射型複屈折率測定装置 - Google Patents

Description

本発明は反射型複屈折率測定装置に関するものであり、例えば、ピックアップ光学系用レンズやカメラ付き携帯電話あるいはデジタルカメラ用レンズや液晶表示用材料の複屈折率やグルコースの濃度などの光学材料や生体を簡略に測定できる高精度で低価格な反射型複屈折率測定装置に関するものである。

従来の第１の複屈折率の測定法として、被測定媒体の偏波状態をミューラー行列として求める方法があった。
従来の第２の複屈折率の測定法として、複屈折率分散を測定する方法があり、光源にハロゲンランプなどの白色光源を用い、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て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）法により複屈折率を解析するものであった。この方法は液晶などの検査に用いられている。

従来の第３の複屈折率の測定方法として、入射偏波状態を変化させて試料を透過した光の幾何学的位相をポアンカレ球上に表示させ、複屈折率が存在した場合の各入射偏波の状態に対応する球上の点が囲む面積から複屈折率を求める方法があった。

従来の複屈折率の測定方法の比較は、下記の非特許文献１に記載されている。
また、糖尿病の検査におけるグルコースを透過する光の旋光性を測定する方法として、下記の非特許文献２に記載されている方法があった。非特許文献２に記載されている方法は、鉛ガラスのベルデ定数を利用し入射偏波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。

上記以外の複屈折率測定法として特許文献１の複屈折率測定装置がある。図３はこのループ型複屈折率測定原理を示す構成図で、その原理は特許文献１に詳しく述べられている。

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３において時計方向の光は偏波保持光ファイバ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波保持光ファイバ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、ループ長が２００ｍ、位相変調器はＰＺＴで共振周波数は２０ＫＨｚのものである。

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。

即ち、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波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方法である

リング干渉計あるいは光ファイバジャイロスコープのセンシングループのなかに非相反光学系を設けその中に被測定試料を入れて複屈折率を測定するものである。この方法は、上記した複屈折率測定法と比較すると、小型で低価格で構成でき高精度という特徴がある。

大谷幸利氏：「総論：偏光・複屈折計測における最近の話題：０ Ｐｌｕｓ Ｅ、２００３年１１月号ＰＰ．１２２０−１２２５」 横田正幸氏他、「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、ＰＰ５１−５６，２００３年８月」 特開２００５−２７４３８０号公報

しかし、上記した第１の方法では、入射側で４種類の偏波状態を作り出す必要がある。
また、上記した第２の方法では、分光器を必要としＦＦＴ解析装置を必要とする。またこの方法ではミリラディアン以下の微小な複屈折率が測定できない。

上記した第３の方法においても、入射側で複数の偏波状態を作り出す必要がある。
すなわち、上記の従来の複屈折率の測定器は、いずれも装置が大掛かりで高価であった。

更に、上記した非特許文献２に記載されている方法では装置が大掛かりであるということと鉛ガラスが温度特性の影響を受けやすいという課題がある。

しかし、特許文献１の複屈折率測定装置の方法では、フィルム状の試料は測定できるがレンズは原理的にコリメート光学系が崩れるのでそのままでは測定できない。

また、屈折率整合剤に浸せば測定できるがインラインで測定する場合には不便である。またループに振動が加わったり騒音の影響を受けやすいという問題点もあった。

本発明の目的は、従来の複屈折率測定装置を大幅に簡略化し安価でコンパクトで高精度に複屈折率を測定できる複屈折率測定装置を提供することにある。

上記課題を解決し、上記目的を達成するために、例えば、リング干渉計のループを１本の偏波面保存光ファイバに置き換え、直交する偏波モードを入射し、その出力端にコリメート光学系と４５度ファラデー回転素子と反射ミラーとで構成する光学系を設け、前記４５度ファラデー回転素子と反射ミラーの間に被測定複屈折試料を置き互いに直交する偏波モードの往復の位相差を測定することによって試料の複屈折率を測定する。

この様に設計することで、従来の光ファイバジャイロの信号処理系と原理的に同じ信号処理技術を用いることが可能となる。なお、この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。

即ち、本発明に係る一発明の実施の形態例の特筆すべき特徴は、光の干渉を利用していること、従来のループ型に対し反射型に改良して、従来は２個必要であった４５度ＦＲ素子を１個で構成可能としたこと、小型で簡略化された構成の装置によって、非常に高精度に複屈折率を測定することができるようにしたことなどである。そして、ループ型のように振動や騒音の影響を受けないようにしたことである。

また、例えば請求項１に記載の例では、１本の偏波面保存光ファイバに互いに直交する偏波モードを伝播させ、その出力端にコリメート光学系と４５度ファラデー回転素子と反射ミラーとで構成する光学系を設け、前記４５度ファラデー回転素子と前記反射ミラーの間に被測定複屈折試料を置き、前記被測定複屈折試料を通過する互いに直交する偏波モードの往復の位相差を測定することによって試料の複屈折率を測定することを特徴とする反射型複屈折率測定装置とする。

また、請求項２に記載の例では、請求項１に記載の反射型複屈折率測定装置において、直交偏波モードの位相差を測定する方法としてリング干渉計の信号処理回路を用いたことを特徴とする反射型複屈折率測定装置とする。

更に、請求項３に記載の例では、請求項１又は２に記載の反射型複屈折率測定装置において、被測定試料を回転および３次元的に位置制御することができ、偏波面保存光ファイバのコリメートレンズの位置を可変にし被測定複屈折試料に入射するビーム径を可変にできることを特徴とする反射型複屈折率測定装置とする。

また請求項４に記載の例では、請求項１又は２に記載の反射型複屈折率測定装置において、伝送用偏波面保存光ファイバ出力端のコリメートレンズと４５度ファラデー回転素子の間に４分の１波長板を置き左右両方向の円偏波成分を被測定試料に入射させ、ミラーで反射させて、偏波面保存光ファイバを伝送する互いに直交する偏波モードの往復の位相差を測定することによって試料の複屈折率を測定することを特徴とする反射型複屈折率測定装置とする。

請求項５に記載の例は、請求項４に記載の反射型複屈折率測定装置において、被測定試料を回転および２次元的に位置制御することができ、偏波面保存光ファイバのコリメートレンズの位置を可変にし被測定複屈折試料に入射するビーム径を可変にできることを特徴とする反射型複屈折率測定装置とする。
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，ＰＰ５５−６２，１９８９年６月」

本発明によれば、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することができる。

以下、本発明に係る一発明の実施の形態例を図面を参照して具体的に説明する。
図１は本発明に係る一発明の実施の形態例の基本光学系を示している。光源１から発せられた光は、カップラ２１と偏光子３１を経て偏波面保存光ファイバ５に入射される。偏光子３１の後段に固有偏波軸を４５度捻った部分１１を設ける。これによってファイバ５には直交偏波モードが励振される。

偏波面保存光ファイバ５のコアには直交偏波モードが励振され位相変調器４で位相変調される。位相変調器はシリンダー状のＰＺＴに偏波面保存光ファイバ５の一部を巻きつけ信号処理部１０から正弦波信号で変調した。

直交偏波モードは偏波面保存光ファイバ５を伝播し、出力端でコリメートレンズ１１３でコリメートされ４５度偏波面を回転させるファラデー素子６２を透過し被測定物８（この場合はレンズ）に導かれる。この場合には被測定物がレンズであるためその焦点位置にミラー１２を設け反射光が該レンズ８、４５度ファラデー回転素子６２、コリメートレンズ１１３を介して該偏波面保存光ファイバ５に再び入射するようにレンズ８とミラーの位置を調整した。

ミラー１２で反射した光は被測定レンズを通過し再びもとの光路を逆に伝播しカップラ２１を介して受光器９で検出される。干渉計の信号処理の方法は非特許文献３に記載されたいわゆる同期検波方法を採用した。

ここでファラデー回転素子の役割について考察するとファラデー回転素子によって偏波面保存光ファイバ５を往復する偏波モードが直交することがわかる。すなわちスロー軸モードで出力された光は反射されファースト軸モードで戻る。一方ファースト軸モードで出力された光は反射されスロー軸モードで戻る。

図１に示す本発明の実施の形態例の基本構成図には、偏波面保存光ファイバ５が１本しか示されていないが、偏波面まで考慮すれば偏波面保存光ファイバ５には２つの偏波モードが伝播しているのでそれぞれの偏波モードは１本の光ファイバをあたかもループがあるように両方向に伝播する。

本実施の形態例の測定方法の原理は、直交偏波モード間の位相差を検出するものであるので、偏波面保存光ファイバ５を往復する場合の位相差はファラデー回転素子によってキャンセルされ、被測定物８の複屈折の影響のみを検出できることになる。

ここで図１の光学系の図３に対する利点として、ファラデー回転素子が１個でよいので材料コストが低減できることが明らかである。また図３の構成では偏波面保存光ファイバ５自体が振動センサーになっているが、本実施の形態例の図１に示す構成においては、往復で直交偏波モードが入れ替わっているので影響がキャンセルされる。すなわち本実施の形態例は図３に対して耐環境特性が優れている。その他にも感度が図３に比較して２倍となることがわかる。

図１の構成でレンズの面内の複屈折率分布を計測したい場合には、コリメートレンズ１１３の位置を変化させビーム径をさまざまに変化させた場合の複屈折率を測定し差分をとることによって半径方向の複屈折率の変化を測定できる。

次に本発明に係る発明の実施の形態例のもう一つの実施例を図２を参照して以下に説明する。図２は図１の光学系においてファラデー回転素子６２の前に４分の１波長板１３を入れた構成となっている。

このようにすると、被測定対象８（この場合は血液）に左右両周り円偏波を入射できる。もし被測定対象に旋光特性があれば図２の測定系で検出できる。

以上説明したように、本実施の形態例によれば、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することができる。また信号処理系および基本光学系はオールファイバ型のリング干渉計として商用化されているので、低価格でコンパクトである。

本実施の形態例では、上述したように従来のループ型に対し反射型に改良したので、４５度ＦＲ素子が従来は２個必要であったものが１個でよく、構成が簡略化できる。またループ型のように振動や騒音の影響を受けない。またレンズなどが容易に測定できる。

以上説明したように、本発明に係る一発明の実施の形態例の反射型複屈折率測定装置は、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することができ、また信号処理系および基本光学系はオールファイバ型のリング干渉計として商用化されているので低価格でコンパクトである。

更に、本実施の形態例では従来のループ型に対し反射型に改良したので４５度ＦＲ素子が従来は２個必要であったものが１個でよく構成が簡略化できる。またループ型のように振動や騒音の影響を受けない。またレンズなどが容易に測定できる。

このような効果によって、本実施の形態例の反射型複屈折率測定装置は光学分野、表示装置など電子機器分野、医療分野などに広く用いることができ、これらの分野の発展に大きく寄与できるものである。

本発明に係る一発明の実施の形態例の複屈折率測定法の原理を示す基本構成図である。 本発明の実施の形態例の旋光角測定法の原理を示す基本構成図である。 従来のループ型複屈折率測定法の原理を示す基本構成図である。

符号の説明

１：光源（SLD,ASE)
２１、２２：カップラ
３１：偏光子
４：位相変調器
５：偏波面保存光ファイバ
６１、６２：４５度ファラデー回転光学素子
７：非相反光学系
８：被測定試料
９：受光器
１０：信号処理系
１１；捻り部分
１１１、１１２，１１３：コリメートレンズ
１２：ミラー
１３：４分の１波長板

Claims (4)

1. 被測定複屈折試料部分の位相差を検出する信号処理系に光ファイバジャイロの信号処理技術を応用したリング干渉計の信号処理回路を用いた複屈折率測定装置において、
   偏波面保存光ファイバから被測定複屈折試料への照射光を出射する端部を照射光出射端、前記照射光出射端から出射された前記照射光が被測定複屈折試料を通り反射ミラーに反射されて再び前記偏波面保存光ファイバに入射する端部を反射光入射端ということにして、前記複屈折率測定装置は、
   前記照射光出射端と前記反射光入射端が同一端部であり、かつ、互いに直交する偏光モードの信号光を被測定試料への照射光として伝搬させるとともに被測定試料から反射した反射光を互いに直交する偏光モードの信号光として前記照射光とは逆方向へ伝搬させる１本の偏波面保存光ファイバと、
   前記照射光出射端兼前記反射光入射端に配置したコリメート光学系と４５度ファラデー回転素子と反射ミラーとで構成する光学系と、
   前記４５度ファラデー回転素子と前記反射ミラーの間に配置した被測定複屈折試料と
   で構成されており、
   前記照射光出射端から出射された互いに直交する前記第１の照射光と第２の照射光は、それぞれ前記コリメート光学系と前記４５度ファラデー回転素子と前記被測定複屈折試料を経て前記反射ミラーに達し、前記反射ミラーで反射されて再び前記被測定複屈折試料と前記４５度ファラデー回転素子と前記コリメート光学系を経て前記反射光入射端に達するようになっており、
   前記直交する照射光の偏光モードの一方を第１の偏光モード、他方を第２の偏光モードということにして、前記１本の偏波面保存光ファイバの前記照射光出射端兼前記反射光入射端から出射した第１の偏光モードの第１の照射光は前記光学系を通り第２の偏光モードの第１の反射光として前記照射光出射端兼前記反射光入射端に入射するとともに、前記１本の偏波面保存光ファイバの前記照射光出射端兼前記反射光入射端から出射した第２の偏光モードの第２の照射光は前記光学系を通り第１の偏光モードの第２の反射光として前記照射光出射端兼前記反射光入射端に入射するようになっており、
   前記照射光出射端兼反射光入射端に達して前記偏波面保存光ファイバに入射した前記反射光は互いに直交する偏光として前記照射光とは逆方向の同一方向に前記偏波面保存光ファイバを伝搬して、前記光ファイバ部分を往復伝搬する前記直交偏光モード間に位相差が発生しないようにして、前記被測定試料を通過する互いに直交する偏波モードの往復の位相差を測定することによって試料の複屈折率を測定する
   ことを特徴とする反射型複屈折率測定装置。
2. 請求項１に記載の反射型複屈折率測定装置において、
   ４５度ファラデー回転素子と反射ミラーの間に被測定複屈折試料を配置して信号光が前記被測定複屈折試料を往復して透過できる構成にした
   ことを特徴とする反射型複屈折率測定装置。
3. 請求項１に記載の反射型複屈折率測定装置において、
   前記偏波面保存光ファイバの照射光出射端兼反射光入射端のコリメートレンズと４５度ファラデー回転素子の間に４分の１波長板を置き、左右両方向の円偏波成分を被測定複屈折試料に入射させ、前記ミラーで反射させ、再び前記被測定複屈折試料と前記４５度ファラデー回転素子と前記４分の１波長板と前記コリメートレンズを経て前記反射光入射端に入射させ、前記被測定複屈折試料を通過する互いに直交する偏波モードの往復の位相差を測定することによって試料の複屈折率を測定する
   ことを特徴とする反射型複屈折率測定装置。
4. 請求項２または３に記載の反射型複屈折率測定装置において、
   前記被測定複屈折試料がレンズの場合、前記被測定複屈折試料としてのレンズの焦点位置に反射ミラーをおく
   ことを特徴とする反射型複屈折率測定装置。

Images