JP6520951B2 - 複屈折測定装置および複屈折測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、複屈折媒体の複屈折を測定する複屈折測定装置および複屈折測定方法に関する。

複屈折媒体の複屈折を測定する手法としては、クロスニコル法がよく知られている。この手法では、互いに直交した偏光子および検光子と、これらの間に配置された測定対象物としての複屈折媒体とを相対的に回転させながら、偏光子、測定対象物および検光子を透過した光の強度Ｉ_out(θ)を測定し、次式により測定対象物の複屈折Δｎを求める。
ここで、Ｉ_inは偏光子側から入射する光の強度、θは測定対象物の相対的な回転角度、ｄは測定対象物の厚みである。また、複屈折Δｎと厚みｄの積によって示されるΔｎｄは、波長λの光が測定対象物を通過する際に異常光成分と常光成分の間に生じる光路差であり、この光路差によって位相差δを生じる。
このように、厚みｄの測定対象物を通過した光の位相差δから複屈折Δｎが導出されるため、複屈折測定は位相差測定と同義的であり、複屈折位相差測定と称される場合もある。

しかしながら、この手法は、偏光子および検光子と測定対象物とを相対的に少なくとも１８０°回転させる必要があるので、測定に時間がかかることと、大がかりな回転機構が必要になることが問題となっていた。そこで、偏光子によって円偏光を作り出し、測定対象物に入射することで、末端の検光子だけを回転させる回転検光子法が提案されたが、依然として回転機構が必要なままであった。

この問題を解消するべく、回転機構を不要とした手法も種々提案されている。例えば、特許文献１では、測定対象物２０に偏光Ｌ１０を照射する手段と、測定対象物２０を透過した偏光Ｌ１１を３つに分割するビームスプリッタ１０１，１０２と、３つに分割された偏光Ｌ１１の特定方向に振動する成分を通過させる検光子１０３，１０４，１０５と、各検光子１０３，１０４，１０５を透過した光の強度を測定する受光器１０６，１０７，１０８と、各受光器１０６，１０７，１０８で得られた結果から偏光Ｌ１１の楕円軌道を求めるコンピュータ等の演算装置１０９とを備えた複屈折測定装置１００が提案されている（図１５参照）。この複屈折測定装置１００では、検光子１０３と１０４の角度が４５°相違し、かつ検光子１０３と１０５の角度が９０°相違している。

複屈折測定装置１００によれば、偏光Ｌ１０の既知の偏光状態と演算装置１０９で求めた偏光Ｌ１１の偏光状態との関係から、測定対象物２０の複屈折Δｎを求めることができる。

また、特許文献２では、既知の偏光状態をもつ光束（例えば、円偏光Ｌ２０）を測定対象物２０に照射し、透過光Ｌ２１の偏光状態を偏光子アレイ２０１およびエリアセンサ２０２（例えば、ＣＭＯＳカメラ）で検出する複屈折測定装置２００が提案されている（図１６参照）。同図（Ｂ）に示すように、偏光子アレイ２０１は、ＸＹ方向において連続した複数の偏光子ユニット２０３からなり、各偏光子ユニット２０３は、互いに透過軸の方位が異なる４×４＝１６個の偏光子からなる。

複屈折測定装置２００では、偏光子アレイ２０１が複屈折測定装置１００における検光子１０３，１０４，１０５の役割を果たし、エリアセンサ２０２が受光器１０６，１０７，１０８の役割を果たす。また、複屈折測定装置２００では、複屈折測定装置１００におけるビームスプリッタ１０１，１０２が不要である。したがって、複屈折測定装置２００によれば、複屈折測定装置１００よりもシンプルな構成で測定対象物２０の複屈折Δｎの二次元分布を測定することができる。

特開２００６−７１４５８号公報 特開２００７−２６３５９３号公報

Akira Emoto, Masaya Nishi, Makoto Okada, Sayaka Manabe, Shinji Matsui, Nobuhiro Kawatsuki, and Hiroshi Ono, "Form birefringence in intrinsic birefringent media possessing a subwavelength structure", APPLIED OPTICS, 10 August 2010, Vol. 49, No. 23, p.4355-4361.

しかしながら、従来の複屈折測定装置１００は、演算装置１０９において２段階の計算処理（受光器１０６、１０７、１０８の受光強度に基づいて楕円関数による楕円率の計算および位相差δと複屈折Δｎの計算）を行うので、高性能な演算装置１０９を用意しても刻一刻と変化する複屈折Δｎをリアルタイムに測定するのは困難であった。また、測定対象物２０のある程度広い領域の複屈折Δｎの二次元分布、言い換えると測定対象物２０により生じる位相差δの二次元分布を測定する場合、従来の複屈折測定装置１００では、受光器１０６、１０７、１０８で得られる光強度分布を、互いに正確に位置合わせをしたのち、演算装置１０９にて位相差δを求める必要があるため、装置が大型・複雑化することも問題となっていた。

また、従来の複屈折測定装置２００は、偏光子ユニット２０３を構成する個々の偏光子によってではなく、偏光子ユニット２０３全体によって透過光Ｌ２１の偏光状態を測定するため、個々の偏光子に対応する測定対象物２０の微小領域の複屈折Δｎをミクロ測定することができなかった。言い換えると、複屈折測定装置２００は、複屈折Δｎの二次元分布の詳細な測定に不向きであることが問題となっていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、回転機構のないシンプルな構成で、測定対象物の複屈折の二次元分布をリアルタイムにかつ詳細に測定することができる複屈折測定装置および複屈折測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る複屈折測定装置は、光束を生成する光束生成手段と、前記光束を予め定められた偏光状態にして測定対象物に照射する光束照射手段と、前記測定対象物を透過した光束を結像させる結像光学系と、前記結像光学系の途中に配置された偏光回折格子と、前記結像光学系により結像された実空間における二次元分布の像の明暗に関する明暗信号を生成する撮像手段と、予め調べておいた、前記像の明暗と前記測定対象物を透過した光束における異常光成分と常光成分の間の位相差との関係に基づいて、前記明暗信号から前記位相差を求めるとともに該位相差に関する情報を出力する出力手段とを備え、前記撮像手段は、前記偏光回折格子が生じさせた複数の回折光のうちの少なくとも一つの回折光の像の前記明暗信号を生成するよう構成されている。

上記複屈折測定装置の前記測定対象物に入射する光束は、例えば、円偏光である。
この場合、前記撮像手段は、前記偏光回折格子が生じさせた＋１次回折光および−１次回折光のうち、前記測定対象物を透過した光束が前記測定対象物に入射した円偏光と同一の円偏光である場合に最も暗くなり、前記測定対象物を透過した光束が前記測定対象物に入射した円偏光とは反対に回転する円偏光である場合に最も明るくなる方の像の前記明暗信号を生成することがさらに好ましい。

上記複屈折測定装置の前記偏光回折格子は、例えば、石英板または透明樹脂板からなる構造複屈折偏光回折格子である。
前記偏光回折格子は、例えば、隣接方向に並べられた複数の格子単位からなり、前記格子単位のそれぞれは１次元の短冊状格子からなり、前記隣接方向に周期構造が形成されるように、隣接した前記格子単位における格子ベクトルの向きが異なっている。
この場合、前記短冊状格子の周期は、前記光束生成手段が生成する光束の波長を０．６倍した値よりも小さいことが好ましい。

上記複屈折測定装置の前記結像光学系は、例えば、４ｆ光学系である。
この場合は、前記測定対象物と前記撮像手段との中間位置に前記偏光回折格子を配置すればよい。

また、上記課題を解決するために、本発明に係る複屈折測定方法は、光束を生成する光束生成工程と、前記光束を予め定められた偏光状態にして測定対象物に照射する光束照射工程と、前記測定対象物を透過した光束を偏光回折格子を介して結像させる結像工程と、前記結像工程により結像した実空間における二次元分布の像の明暗に関する明暗信号を生成する信号生成工程と、予め調べておいた、前記像の明暗と前記測定対象物を透過した光束における異常光成分と常光成分の間の位相差との関係に基づいて、前記明暗信号から前記位相差を求めるとともに該位相差に関する情報を出力する出力工程とを備え、前記信号生成工程において、前記偏光回折格子が生じさせた複数の回折光のうちの少なくとも一つの回折光の像の前記明暗信号を生成するよう構成されている。

本発明によれば、回転機構のないシンプルな構成で、測定対象物の複屈折の二次元分布をリアルタイムにかつ詳細に測定することができる複屈折測定装置および複屈折測定方法を提供することができる。

本発明の第１実施例に係る複屈折測定装置の概略構成図である。 第１実施例における偏光回折格子の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。 第１実施例における偏光回折格子が生じさせた±１次回折光の回折効率と偏光回折格子に入射した透過光との関係を示すグラフである。 第１実施例に係る複屈折測定装置の測定原理を説明するための図である。 第１実施例に係る複屈折測定装置による測定例１に関する図であって、（Ａ）は測定例１で使用した測定対象物の構成を示す図、（Ｂ）は測定例１の測定結果を示す図である。 測定例１における測定対象物の偏光顕微鏡写真である。 第１実施例に係る複屈折測定装置による測定例２の測定結果を示す図である。 測定例２における測定対象物の偏光顕微鏡写真である。 第１実施例に係る複屈折測定装置のロンキーテストに関する図であって、（Ａ）は使用した装置の構成を示す図、（Ｂ）は得られた明暗分布画像である。 本発明の第２実施例に係る複屈折測定装置の概略構成図である。 第２実施例における偏光回折格子の構成を示す表面図である。 第２実施例に係る複屈折測定装置による測定例３の測定結果を示す図である。 本発明の第３実施例に係る複屈折測定装置の概略構成図である。 本発明に係る複屈折測定装置を備えたフィルム検査装置の概略構成図である。 従来の複屈折測定装置の概略構成図である。 従来の別の複屈折測定装置の概略構成図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る複屈折測定装置および複屈折測定方法の実施例について説明する。

［第１実施例］
図１に、本発明の第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａを示す。同図に示すように、複屈折測定装置１Ａは、特定の偏光状態のレーザ光Ｌ１を生成するレーザ光源２と、レーザ光Ｌ１から直線偏光Ｌ２を作り出す偏光子３と、直線偏光Ｌ２を拡張するビームエキスパンダ４と、拡張された直線偏光Ｌ２から時計回りの円偏光Ｌ３を作り出す１／４波長板５とを備える。１／４波長板５から出射された円偏光Ｌ３は、測定対象物２０に入射する。

レーザ光源２は、本発明の「光束生成手段」に相当する。レーザ光源２は、波長５３２ｎｍのレーザ光を偏光子３に向けて出射する。

ビームエキスパンダ４は、第１レンズ４ａと第２レンズ４ｂとで構成されている。図１に示すように、第２レンズ４ｂの径は第１レンズ４ａの径よりも大きい。ビームエキスパンダ４は、偏光状態を保ったまま直線偏光Ｌ２を拡張する。ビームエキスパンダ４は、偏光子３および１／４波長板５とともに、本発明の「光束照射手段」を構成する。

複屈折測定装置１Ａは、さらに、測定対象物２０からの透過光Ｌ４を結像させる結像光学系１０と、結像光学系１０の途中に配置された偏光回折格子８と、結像光学系１０により結像された像の明暗に関する明暗信号を生成するＣＭＯＳカメラ１２と、明暗信号に基づいて求めた、円偏光Ｌ３（入射光）を基準とした透過光Ｌ４（出射光）における異常光成分と常光成分の間の位相差δに関する情報を出力するディスプレイ１３とを備える。

結像光学系１０は、径が等しい第３レンズ７および第４レンズ９を含む。測定対象物２０と第３レンズ７との距離、第３レンズ７と偏光回折格子８との距離、偏光回折格子８と第４レンズ９との距離、および第４レンズ９とＣＭＯＳカメラ１２の受光面との距離は、いずれもｆである。すなわち、本実施例の結像光学系１０は４ｆ光学系である。

偏光回折格子８は、３ｍｍ角の第１アイリス６を通過してきた透過光Ｌ４に対応する複数の回折光を生じさせる。これには、＋１次回折光Ｌ６および−１次回折光Ｌ７が含まれる。偏光回折格子８は、０次回折光Ｌ５および±２次以上の高次回折光も生じさせるが、本実施例ではこれらを利用することはない。

ＣＭＯＳカメラ１２は、本発明の「撮像手段」に相当する。本実施例では、ＣＭＯＳカメラ１２の受光部に、偏光回折格子８が生じさせた複数の回折光のうち、第２アイリス１１を通過した−１次回折光Ｌ７のみが入射する。そして、ＣＭＯＳカメラ１２は、−１次回折光Ｌ７の像の明暗に関する明暗信号を生成し、これをディスプレイ１３に送信する。明暗信号の送信は、オペレータの指示があったときに行われてもよいし、予め定められた時間間隔（例えば、１／３０秒）で連続的に行われてもよい。

ディスプレイ１３は、本発明の「出力手段」に相当する。ディスプレイ１３は、ＣＭＯＳカメラ１２から出力された明暗信号を受信するとともに、受信した明暗信号が示す透過光Ｌ４の偏光状態と円偏光Ｌ３の既知の偏光状態（本実施例では、時計回りの円偏光）との関係に基づいて、透過光Ｌ４における異常光成分と常光成分の間の位相差δの二次元分布を示す画像を表示する。ディスプレイ１３は、画像の生成を担う演算処理装置を備えていてもよい。

測定対象物２０の厚みｄが既知の場合、ディスプレイ１３が表示する位相差δの二次元分布は、測定対象物２０の複屈折Δｎの二次元分布と等価である。一方、測定対象物２０の複屈折Δｎが既知の場合、ディスプレイ１３が表示する位相差δの二次元分布は、測定対象物２０の厚みｄの二次元分布と等価である。

続いて、図２〜図４を参照しつつ、本実施例における偏光回折格子８の構成、および位相差δの測定原理について詳細に説明する。

偏光回折格子８は、厚さ約１０μｍの透明樹脂板の一表面に、光インプリント法により複数の格子単位を並べて形成した構造複屈折偏光回折格子である。図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、偏光回折格子８は、Ｘ方向（以下、「隣接方向」という）に周期構造を持っている。より詳しくは、偏光回折格子８の表面には、隣接方向に対して９０°をなす複数の平行な溝からなる短冊状の格子単位８ａと、隣接方向に対して４５°をなす複数の平行な溝からなる短冊状の格子単位８ｂと、隣接方向に平行な複数の溝からなる短冊状の格子単位８ｃと、隣接方向に対して−４５°をなす複数の平行な溝からなる短冊状の格子単位８ｄとからなる格子単位群が連続的に形成されている。言い換えると、偏光回折格子８の表面には、格子ベクトルが隣接方向に対して平行な格子単位８ａと、格子ベクトルが隣接方向に対して−４５°をなす格子単位８ｂと、格子ベクトルが隣接方向に対して−９０°をなす格子単位８ｃと、格子ベクトルが隣接方向に対して−１３５°をなす格子単位８ｄとが形成されている。

本実施例における各格子単位８ａ〜８ｄの隣接方向の寸法Ｗ１は、いずれも２０００ｎｍである。

通常の回折格子としてではなく偏光回折格子として機能させるべく、各格子単位８ａ〜８ｄにおける溝の周期Ｗ２（図２（Ｃ）参照）は、レーザ光源２が生成するレーザ光Ｌ１の波長よりも十分に短く設定されている。本実施例における溝の周期Ｗ２は、２００ｎｍである。また、本実施例における溝の深さは、２５０ｎｍである。溝の周期Ｗ２を、レーザ光源２が生成するレーザ光Ｌ１の波長の０．６倍以上に設定すると、偏光回折格子８は、偏光回折格子として機能しなくなる。また、Ｓ／Ｎ比の観点から、溝は深い方が好ましい。なお、溝の周期Ｗ２をレーザ光Ｌ１の波長の０．６倍未満に設定することの根拠については、上記非特許文献１に詳しく説明されているので参照されたい。

上述の通り、偏光回折格子８は、＋１次回折光Ｌ６および−１次回折光Ｌ７を生じさせる。図３に示すように、＋１次回折光Ｌ６（□印）は、偏光回折格子８に入射する光、すなわち測定対象物２０の透過光Ｌ４が反時計回りの円偏光であるときに最も弱く（暗く）、時計回りの円偏光であるときに最も強くなる（明るくなる）。一方、−１次回折光Ｌ７（●印）は、透過光Ｌ４が時計回りの円偏光であるときに最も弱く（暗く）、反時計回りの円偏光であるときに最も強くなる（明るくなる）という、＋１次回折光Ｌ６とは反対の性質を示す。なお、図３に示すグラフの横軸である透過光Ｌ４の楕円率は、次式で求められる楕円率角χである。
ここで、ａは楕円の長軸の長さ、ｂは楕円の短軸の長さである。

図４（Ａ）に示すように、レーザ光源２等の代わりに配置した試験用光源１４で生成した偏光状態の異なる様々な試験光Ｌ８を第１アイリス６越しに偏光回折格子８に入射させると、ＣＭＯＳカメラ１２の受光面において、試験光Ｌ８が時計回りの円偏光であるときに最も暗く、反時計回りの円偏光であるときに最も明るい像が得られた（図４（Ｂ）参照）。また、第２アイリス１１の位置をずらして＋１次回折光Ｌ６のみをＣＭＯＳカメラ１２に入射させると、ＣＭＯＳカメラ１２の受光面において、試験光Ｌ８が時計回りの円偏光であるときに最も明るく、反時計回りの円偏光であるときに最も暗い像が得られた（図４（Ｃ）参照）。

このように、第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａによれば、ＣＭＯＳカメラ１２の受光面に結像する像の明暗に基づいて偏光回折格子８に入射する光（図１では透過光Ｌ４）の偏光状態を特定することができる。そして、透過光Ｌ４の偏光状態と円偏光Ｌ３の既知の偏光状態（本実施例では、時計回りの円偏光）との関係に基づいて、少なくとも透過光Ｌ４における異常光成分と常光成分の間の位相差δを求めることができる。

また、ＣＭＯＳカメラ１２の受光面に結像する像の明暗と位相差δとには１対１の関係がある。このため、本実施例に係る複屈折測定装置１Ａによれば、予め両者の関係を調べてテーブル化しておくことで、明暗信号に基づいて瞬時に位相差δを求めることができる。

また、上述の通り、位相差δは測定対象物２０の複屈折Δｎと厚みｄの積からなるので、厚みｄが既知であれば、求めた位相差δから容易に測定対象物２０の複屈折Δｎを求めることができる。

続いて、第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａによる測定例について、偏光顕微鏡による測定と比較しながら説明する。

（測定例１）
市販されているセロハンテープを切断して３つの小片Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を用意し、小片Ｔ１をスライドガラスＧの長辺に沿って貼り付け、この小片Ｔ１と直角に交差するように小片Ｔ２を貼り付け、さらに、小片Ｔ１に対して４５°傾いた小片Ｔ３の矩形状の一部分Ｔ３’を小片Ｔ１およびＴ２の両方に接するように貼り付け、図５（Ａ）に示す測定対象物を作成した。

図５（Ｂ）は、この測定対象物の領域Ｂを第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａで測定した結果である。通常、セロハンテープは、製造工程（より詳しくは延伸工程）において部分的に結晶化し、結晶化した部分と結晶化していない部分とでは複屈折Δｎが異なる。厚みが略均一な小片Ｔ１、Ｔ２およびＴ３’内において明暗に差があるのは、このためである。

また、小片Ｔ１における複屈折Δｎの分布、小片Ｔ２における複屈折Δｎの分布、および小片Ｔ３’における複屈折Δｎの分布は、互いに異なっている。これは、本実施例に係る複屈折測定装置１Ａによる測定で、製造中に行われた延伸の方向を特定できることを示している。小片Ｔ１およびＴ２が重なり合う領域Ｔ１２は、小片Ｔ１、Ｔ２およびＴ３’とは全く異なる結果となった。これは、領域Ｔ１２にいて、小片Ｔ１と小片Ｔ２がほぼ同等の複屈折Δｎを有し、かつ互いに直交した関係で重なっていることから、円偏光Ｌ３（入射偏光）に対する位相差が打ち消され、領域Ｔ１２では実質的な複屈折が観測されなかったことを示している。

比較のために、偏光顕微鏡を用いて領域Ｂの中心部をパラニコル観察すると、図６に示す結果が得られた。図５（Ｂ）とは異なり、図６においては、小片Ｔ１、小片Ｔ２、およびこれらが重なった領域Ｔ１２に顕著な差異が見られなかった。これは、偏光顕微鏡による１回の観察では、セロハンテープの延伸方向を特定したり、厚みが異なる部分を見つけ出したりすることが困難であることを示している。なお、図６中の２本の平行な矢印は、偏光子と検光子の向きが平行な状態での観察、すなわちパラニコル観察を行った結果であることを示している。

（測定例２）
図７は、測定対象物としての砂糖の結晶を第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａで測定した結果である。砂糖の結晶は均質なので、複屈折Δｎが一定である。このため、図７における明暗の分布は、結晶の厚みｄを示していると言える。

図８は、偏光顕微鏡を用いて上記砂糖の結晶をパラニコル観察（同図（Ａ））およびクロスニコル観察（同図（Ｂ）〜（Ｃ））した結果である。砂糖の結晶に対して相対的に偏光子と検光子を回転させてクロスニコル観察した結果において、Ｃ１とＣ４は同図（Ｂ）の条件にて最も明るくかつ同程度の明るさを示した。上述の通り、砂糖の結晶は複屈折Δｎが一定であるため、両者の厚みが近似していると言える。しかしながら、この偏光顕微鏡を用いた測定では、全ての結晶の厚みの関係を特定するために、少なくとも測定対象物としての砂糖の結晶を１８０°連続的に回転させて、クロスニコル配置で観察・記録したのちにデータの解析を行う必要があるため、作業量は多く、かつ機械的精度の高い回転操作が求められる。なお、図８中の２本の平行な矢印は、図６と同様、パラニコル観察を行った結果であることを示している。また、図８中の２本の直交した矢印は、偏光子と検光子の向きが直交した状態での観察、すなわちクロスニコル観察を行った結果であることを示している。

（ロンキーテスト）
次に、第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａの分解能を評価するために、図９（Ａ）に示す装置を用いて行ったロンキーテストの結果について説明する。なお、図９（Ａ）に示す装置は、測定対象物２０の代わりにロンキー格子１５が配置されている点、複屈折を生じさせないロンキー格子１５の通過光Ｌ４から−１次回折光Ｌ７が生じ得るように、円偏光Ｌ３がわずかに楕円偏光に調整されている点、および結像光学系１０が拡大光学系（拡大率：２．１倍）である点において、複屈折測定装置１Ａと相違している。

図９（Ｂ）〜（Ｄ）に、１０Ｌｉｎｅｓ／ｍｍ、２０Ｌｉｎｅｓ／ｍｍおよび４０Ｌｉｎｅｓ／ｍｍの３種類のロンキー格子１５を使用したときに、ＣＭＯＳカメラ１２によって得られた明暗分布画像を示す。格子幅が最も狭い４０Ｌｉｎｅｓ／ｍｍのロンキー格子１５を使用した場合においても、直線状の格子をはっきりと確認することができた（同図（Ｄ）参照）。この結果は、この評価において使用した装置が、少なくとも１２．５μｍの分解能を有していることを示している。すなわち、この結果は、第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａが、ミクロ測定に適していることを示している。

なお、上記１２．５μｍは、第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａの分解能の限界を示す数値ではない点に注意が必要である。

［第２実施例］
図１０に、本発明の第２実施例に係る複屈折測定装置１Ｂを示す。本実施例に係る複屈折測定装置１Ｂは、１／４波長板５を備えていない点において複屈折測定装置１Ａと相違している。このため、複屈折測定装置１Ｂでは、ビームエキスパンダ４で拡張された直線偏光Ｌ２がそのまま測定対象物２０に入射する。その結果、本実施例では、第１実施例とは異なる透過光Ｌ４’および回折光Ｌ５’，Ｌ６’，Ｌ７’が得られる。

また、複屈折測定装置１Ｂは、結像光学系１０’を備えている点においても複屈折測定装置１Ａと相違している。結像光学系１０’は、径が異なる第３レンズ７’および第４レンズ９を含む。測定対象物２０と第３レンズ７’との距離、および第３レンズ７’と偏光回折格子８’との距離は、いずれもｆ１である。一方、偏光回折格子８’と第４レンズ９との距離、および第４レンズ９とＣＭＯＳカメラ１２の受光面との距離は、いずれもｆ２（ただし、ｆ２＞ｆ１）である。

複屈折測定装置１Ｂは、偏光回折格子８’を備えている点においても複屈折測定装置１Ａと相違している。偏光回折格子８’は、偏光回折格子８と同じ手法で作製した構造複屈折偏光回折格子である。図１１に示すように、偏光回折格子８’は、Ｘ方向（隣接方向）に周期構造を持っている。より詳しくは、偏光回折格子８の表面には、隣接方向に対して９０°をなす複数の平行な溝からなる短冊状の格子単位８ａ’、隣接方向に対して６０°をなす複数の平行な溝からなる短冊状の格子単位８ｂ’、隣接方向に対して３０°をなす複数の平行な溝からなる短冊状の格子単位８ｃ’、隣接方向に対して平行な複数の溝からなる短冊状の格子単位８ｄ’、隣接方向に対して−３０°をなす複数の平行な溝からなる短冊状の格子単位８ｅ’、および隣接方向に対して−６０°をなす複数の平行な溝からなる短冊状の格子単位８ｆ’が連続的に形成されている。言い換えると、偏光回折格子８’の表面には、格子ベクトルが隣接方向に対して平行な格子単位８ａ’と、格子ベクトルが隣接方向に対して−３０°をなす格子単位８ｂ’と、格子ベクトルが隣接方向に対して−６０°をなす格子単位８ｃ’と、格子ベクトルが隣接方向に対して−９０°をなす格子単位８ｄ’と、格子ベクトルが隣接方向に対して−１２０°をなす格子単位８ｅ’と、格子ベクトルが隣接方向に対して−１５０°をなす格子単位８ｆ’とが形成されている。

本実施例における各格子単位８ａ’〜８ｆ’の隣接方向の寸法Ｗ１、溝の周期および溝の深さは、第１実施例と同様である。

偏光回折格子８と同様、偏光回折格子８’は、＋１次回折光Ｌ６’および−１次回折光Ｌ７’を生じさせる。ただし、各格子単位の境界における溝の向き（格子ベクトル）の変化が偏光回折格子８に比べて緩やかなので、偏光回折格子８’が生じさせる＋１次回折光Ｌ６’および−１次回折光Ｌ７’の回折効率（強度）は、偏光回折格子８が生じさせる＋１次回折光Ｌ６および−１次回折光Ｌ７よりも大きい。このため、偏光回折格子８’を使用すれば、よりＳ／Ｎ比の高い測定が可能となる。

上述の通り、本実施例に係る複屈折測定装置１Ｂでは、測定対象物２０に直線偏光Ｌ２が入射する。このため、−１次回折光Ｌ７’は、測定対象物２０において複屈折が生じなかった場合、すなわち偏光回折格子８’に入射する透過光Ｌ４’が直線偏光である場合に中程度の明るさとなる（図４（Ｂ）参照）。また、測定対象物２０において複屈折が生じて透過光Ｌ４’が反時計回りの円偏光となった場合、−１次回折光Ｌ７’は最も明るくなり、透過光Ｌ４’が時計回りの円偏光となった場合、−１次回折光Ｌ７’は最も暗くなる。

ＣＭＯＳカメラ１２は、−１次回折光Ｌ７’の像の明暗に関する明暗信号を生成し、これをディスプレイ１３に送信する。そして、ディスプレイ１３は、受信した明暗信号が示す透過光Ｌ４’の偏光状態と直線偏光Ｌ２の既知の偏光状態との関係に基づいて、透過光Ｌ４’における異常光成分と常光成分の間の位相差δの二次元分布を示す画像を表示する。

続いて、第２実施例に係る複屈折測定装置１Ｂに類似した装置による測定例３について説明する。測定例３で使用した装置は、測定対象物２０に円偏光を入射させる点において複屈折測定装置１Ｂと相違している。測定対象物２０に円偏光を入射させるには、例えば、１／４波長板５を使用すればよい（図１参照）。

（測定例３）
本測定例では、厚みｄが２０μｍであるポリエチレンフィルムを測定対象物とした。図１２（Ａ）は、ＣＭＯＳカメラ１２が出力した明暗信号により構成された明暗分布画像であり、同図（Ｂ）は、明暗分布画像における明暗を位相差δに変換してなる位相差分布画像である。同図（Ｂ）に示す位相差分布画像によれば、同図（Ａ）に示す明暗分布画像に比べ、傷や組成不良の有無により生じる位相差δの変化をよりはっきりと確認することができた。

なお、ポリエチレンフィルムに傷が生じると、その領域が凹むとともにその周辺領域が盛り上がるため、厚みｄが変化する。また、組成不良が生じると、その領域は他の領域とは異なった複屈折Δｎを示す。同図（Ｂ）に示す位相差分布画像によれば、位相差δの変化を通じて、厚みｄまたは複屈折Δｎの変化を確認することができる。

［第３実施例］
図１３に、本発明の第３実施例に係る卓上型の複屈折測定装置１Ｃを示す。複屈折測定装置１Ｃは、主に、簡易的なビームエキスパンダと一体化された省スペース型の光源２’を用いる点、および結像光学系１０の代わりに結像光学系１０’を備えている点において第１実施例に係る複屈折測定装置１Ａと相違した装置のディスプレイ１３以外の部分を筐体３０に収容して取り扱いを容易にしたものである。

図１３に示すように、複屈折測定装置１Ｃは、特定の偏光状態の光束Ｌ１’を生成する光源２’と、光束Ｌ１’の進行方向を水平方向から垂直方向に変化させる第１反射鏡３１と、垂直方向に進行する光束Ｌ１’から直線偏光Ｌ２を作り出す偏光子３と、直線偏光Ｌ２から時計回りの円偏光Ｌ３を作り出す１／４波長板５と、ステージとしての役割も有する第１アイリス６とを備える。１／４波長板５から出射された円偏光Ｌ３は、第１アイリス６上に配置された測定対象物２０に入射する。第１アイリス６は、測定対象物２０を固定するための機構を備えていることが好ましい。また、光源２’は、レーザダイオードからなる。

複屈折測定装置１Ｃは、測定対象物２０からの透過光Ｌ４を結像させる結像光学系１０’（７’，９）と、結像光学系１０’の途中に配置された偏光回折格子８および第２反射鏡３２と、結像光学系１０’により結像された像の明暗に関する明暗信号を生成するＣＭＯＳカメラ１２とをさらに備える。第２反射鏡３２は、回折光Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７の進行方向を垂直方向から水平方向に変化させる。

本実施例では、第１実施例と同様、３つの回折光Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７のうち、−１次回折光Ｌ７のみがＣＭＯＳカメラ１２の受光部に入射する。他の２つの回折光Ｌ５，Ｌ６は、遮光板３５（第１実施例の第２アイリス１１に相当）によって遮られる。

複屈折測定装置１Ｃは、第１アイリス６の端部を支持する壁面３３と、その近傍に設けられた調整用ノブ３４とをさらに備える。オペレータによって調整用ノブ３４が回転させられると、その回転量に応じた微小距離だけ第１アイリス６が上下に移動する。これにより、第３レンズ７’の前方焦点位置に対する測定対象物２０の位置ズレが解消され、結像光学系１０’のピント調整がなされる。一方、第３レンズ７’、第４レンズ９、偏光回折格子８、第２反射鏡３２およびＣＭＯＳカメラ１２は、筐体３０内の好適な位置に固定されている。特に、偏光回折格子８は、第３レンズ７’の後方焦点位置に固定されている。したがって、オペレータは、測定を行うにあたり、これらの位置を調整する必要はない。

複屈折測定装置１Ｃは、ディスプレイ１３を含むコンピュータ３６をさらに備える。コンピュータ３６に搭載された演算処理装置３７は、ＣＭＯＳカメラ１２から出力された明暗信号に基づいて位相差δの二次元分布画像を生成する。そして、ディスプレイ１３は、演算処理装置３７によって生成された位相差δの二次元分布画像を表示する。

［変形例］
以上、本発明に係る複屈折測定装置および複屈折測定方法の実施例について説明してきたが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。

例えば、本発明の「光束生成手段」は、波長５３２ｎｍのレーザ光を出力するレーザ光源２およびレーザダイオードからなる光源２’に限定されず、無偏光状態の光束を生成可能なランプ等の光源であってもよい。

本発明の「光束照射手段」は、「光束生成手段」が生成した光束を予め定められた偏光状態にして測定対象物２０に照射可能な限りにおいて、構成を適宜変更することができる。測定対象物２０に入射する光束の偏光状態は、既知の楕円偏光であってもよい。また、ビームエキスパンダ４は省略可能である。

本発明の「結像光学系」は、測定対象物２０の透過光Ｌ４（Ｌ４’）を「撮像手段」としてのＣＭＯＳカメラ１２の受光面に結像させることが可能な限りにおいて、構成を適宜変更することができる。

本発明の「撮像手段」は、受光面において結像した像の明暗に関する明暗信号を生成可能な、任意の装置または素子であってもよい。

本発明の「出力手段」は、受信した明暗信号に基づいて求めた位相差δ（または、複屈折Δｎ、厚みｄ）に関する情報を出力可能な、任意の装置または素子であってもよい。位相差δ（複屈折Δｎ、厚みｄ）に関する情報は、二次元画像であってもよいし、数値データであってもよい。

本発明の「偏光回折格子」は、任意の手法で透明な石英板に格子を形成した構造複屈折偏光回折格子であってもよいし、分子配向を利用したタイプの偏光回折格子であってもよい。また、隣接した格子単位における格子ベクトルの向きの違いは、４５°および３０°に限定されず、４５°以下の任意の角度に設定することができる。Ｓ／Ｎ比の観点から、格子ベクトルの向きの違いは、小さい方が好ましい。なお、分子配向を利用したタイプの偏光回折格子を使用する場合は、レーザ光の照射による温度の上昇により分子配向が壊れることがあるので、注意が必要である。

本発明の「撮像手段」は、＋１次回折光Ｌ６（Ｌ６’）の明暗信号を生成してもよい。また、「撮像手段」は、−１次回折光Ｌ７（Ｌ７’）と＋１次回折光Ｌ６（Ｌ６’）の両方に基づいて明暗信号を生成してもよい。反対の性質を示す２つの回折光Ｌ７（Ｌ７’）およびＬ６（Ｌ６’）を併用することで、ノイズに強い測定が可能になる。

本発明の「出力手段」は、明暗信号が示す回折光強度Ｉと、事前に測定しておいた最大回折光強度Ｉ_maxとに基づき、次式によって位相差δを求めてもよい。
なお、−１次回折光Ｌ７（Ｌ７’）を利用する場合は、試験用光源１４等で生成した反時計回りの円偏光Ｌ８を偏光回折格子８に入射させたときにＣＭＯＳカメラ１２が測定した回折光強度Ｉを最大回折光強度Ｉ_maxとすればよい（図４（Ｂ）参照）。また、＋１次回折光Ｌ６（Ｌ６’）を利用する場合は、試験用光源１４等で生成した時計回りの円偏光Ｌ８を偏光回折格子８に入射させたときにＣＭＯＳカメラ１２が測定した回折光強度Ｉを最大回折光強度Ｉ_maxとすればよい（図４（Ｃ）参照）。

また、本発明に係る複屈折測定装置は、大量生産されるフィルムの複屈折における異常を検査するフィルム検査装置として利用することができる。この場合、フィルム検査装置４０は、図１４に示すように、本発明に係る複屈折測定装置（一例として、複屈折測定装置１Ａ）と、測定対象物２０としてのフィルムを所定の位置に連続的に供給するフィルム供給機構４１とを備える。ＣＭＯＳカメラ１２は、フィルムの全領域を漏れなく検査するために、フィルムの供給速度に対応した時間毎に明暗信号を生成する。

フィルム検査装置４０は、複数の複屈折測定装置（一例として、複屈折測定装置１Ａ）を備えていてもよい。例えば、フィルムの供給方向に直行する方向（フィルムの幅方向）に複数の複屈折測定装置１Ａを並べておき、各複屈折測定装置１Ａが異なる領域の検査を担当すれば、検査時間を増加させることなく幅広なフィルムの検査を行うことができる。

本発明は、各種複屈折媒体の検査および評価において利用することができる。特に、本発明は、大量生産される各種フィルム（例えば、透明原反フィルム、コーティング材、機能性フィルム）の組成不良または外観不良の有無を、連続的、かつ高速に検査する場合に有用である。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 複屈折測定装置
２ レーザ光源
２’ 光源
３ 偏光板
４ ビームエキスパンダ
４ａ 第１レンズ
４ｂ 第２レンズ
５ １／４波長板
６ 第１アイリス
７，７’ 第３レンズ
８，８’ 偏光回折格子
９ 第４レンズ
１０，１０’ 結像光学系
１１ 第２アイリス
１２ ＣＭＯＳカメラ
１３ ディスプレイ
１４ 試験用光源
１５ ロンキー格子
２０ 測定対象物（複屈折媒体）
３０ 筐体
３１ 第１反射鏡
３２ 第２反射鏡
３３ 壁面
３４ 調整用ノブ
３５ 遮光板
３６ コンピュータ
３７ 演算処理装置
４０ フィルム検査装置
４１ フィルム供給機構
Ｌ１ レーザ光
Ｌ１’ 光束
Ｌ２ 直線偏光
Ｌ３ 円偏光
Ｌ４，Ｌ４’ 透過光
Ｌ５，Ｌ５’ ０次回折光
Ｌ６，Ｌ６’ ＋１次回折光
Ｌ７，Ｌ７’ −１次回折光

Claims (10)

1. 光束を生成する光束生成手段と、
   前記光束を予め定められた偏光状態にして測定対象物に照射する光束照射手段と、
   前記測定対象物を透過した光束を結像させる結像光学系と、
   前記結像光学系の途中に配置された偏光回折格子と、
   前記結像光学系により結像された実空間における二次元分布の像の明暗に関する明暗信号を生成する撮像手段と、
   予め調べておいた、前記像の明暗と前記測定対象物を透過した光束における異常光成分と常光成分の間の位相差との関係に基づいて、前記明暗信号から前記位相差を求めるとともに該位相差に関する情報を出力する出力手段と、
   を備え、
   前記撮像手段は、前記偏光回折格子が生じさせた複数の回折光のうちの少なくとも一つの回折光の像の前記明暗信号を生成することを特徴とする複屈折測定装置。
2. 前記測定対象物に入射する光束は、円偏光であることを特徴とする請求項１に記載の複屈折測定装置。
3. 前記撮像手段は、前記偏光回折格子が生じさせた＋１次回折光および−１次回折光のうち、前記測定対象物を透過した光束が前記測定対象物に入射した円偏光と同一の円偏光である場合に最も暗くなり、前記測定対象物を透過した光束が前記測定対象物に入射した円偏光とは反対に回転する円偏光である場合に最も明るくなる方の像の前記明暗信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の複屈折測定装置。
4. 前記偏光回折格子は、石英板または透明樹脂板からなる構造複屈折偏光回折格子であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の複屈折測定装置。
5. 前記偏光回折格子は、隣接方向に並べられた複数の格子単位からなり、
   前記格子単位のそれぞれは、１次元の短冊状格子からなり、
   前記隣接方向に周期構造が形成されるように、隣接した前記格子単位における格子ベクトルの向きが異なっていることを特徴とする請求項４に記載の複屈折測定装置。
6. 前記短冊状格子の周期は、前記光束生成手段が生成する光束の波長を０．６倍した値よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の複屈折測定装置。
7. 前記結像光学系は４ｆ光学系であり、前記測定対象物と前記撮像手段との中間位置に前記偏光回折格子が配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の複屈折測定装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の複屈折測定装置を備え、
   前記測定対象物としてのフィルムの複屈折における異常を検査するために使用されることを特徴とするフィルム検査装置。
9. 光束を生成する光束生成工程と、
   前記光束を予め定められた偏光状態にして測定対象物に照射する光束照射工程と、
   前記測定対象物を透過した光束を偏光回折格子を介して結像させる結像工程と、
   前記結像工程により結像した実空間における二次元分布の像の明暗に関する明暗信号を生成する信号生成工程と、
   予め調べておいた、前記像の明暗と前記測定対象物を透過した光束における異常光成分と常光成分の間の位相差との関係に基づいて、前記明暗信号から前記位相差を求めるとともに該位相差に関する情報を出力する出力工程と、
   を備え、
   前記信号生成工程において、前記偏光回折格子が生じさせた複数の回折光のうちの少なくとも一つの回折光の像の前記明暗信号を生成することを特徴とする複屈折測定方法。
10. 請求項９に記載の複屈折測定方法により、前記測定対象物としてのフィルムの複屈折における異常を検査することを特徴とするフィルム検査方法。