JP3436704B2 - 複屈折測定方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザプリンタ等
に用いられる光書込用或いはピックアップ用などに用い
られるプラスチックスレンズ等のプラスチック製品なる
被検物の複屈折を測定する複屈折測定方法及びその装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の被検レンズ等の被検物に
関する複屈折の測定方法としては、位相変調法や回転検
光子法が知られている。これらの方法にあっては、透明
な被検物に平行ビームを照射し、被検物からの透過光を
フォトダイオード等の受光素子で受光し、被検物の複屈
折による透過光の偏光状態の変化を検出することによ
り、被検物の複屈折を求めるものである。

【０００３】位相変調法では、「光技術コンタクト」Ｖ
ol.27.No.3(1989)中の「位相変調法による複屈折 測定
と応用」p.127〜p.134等により報告されているように、
光弾性変調器（ＰＥＭ）を利用して照射光を位相変調さ
せ、透明な被検物を透過した光のビート信号と変調信号
との位相から複屈折を求めるようにしている。

【０００４】回転検光子法では、「光学的測定ハンドブ
ック」(1981年7月25日発刊）田幸敏治、辻内順平、南茂
夫編、朝倉書店中の「偏光解析」p.256〜p.265等に報告
されているように、透明な被検物の背面に置いた検光子
を回転させながら検光子の背面の受光素子で透過光を受
光し、検光子の回転に伴う受光素子からの受光出力の変
化により複屈折を求めるようにしている。

【０００５】ここに、具体的な提案例としては、例え
ば、特開平４−５８１３８号公報等に示されるように、
拡大した平行光を透明な被検物に照射し、その透過光を
ＣＣＤカメラ等の２次元センサで受光することにより、
被検物の複屈折を求めるようにしたものがある。

【０００６】また、特公平６−２３６８９号公報によれ
ば、位相変調法を測定原理に用い、波長の異なる複数の
光源を用いることにより、大きな複屈折の測定を可能と
している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開平４−
５８１３８号公報例では、複屈折の測定結果が、複屈折
位相差にして０〜λ／４（λ：光源波長）の範囲内で得
られるため、その範囲を越える複屈折位相差の測定結果
は不確定となる。つまり、複屈折位相差の測定値をδと
し、真の複屈折位相差をδ′とした場合、 δ′＝ｍ・λ／２±δ（ｍ：整数） ………………（１） なる関係となり、整数ｍの値が不確定となる。

【０００８】結局、特開平４−５８１３８号公報例で
は、光源波長λにより測定範囲が決まってしまうため、
測定範囲を越えるような大きな複屈折には対応できず、
かつ、複屈折分布が測定範囲を越える場合も同様に対応
できない。

【０００９】また、特公平６−２３６８９号公報例の場
合、細いレーザビームを被検物に照射し、その透過光を
フォトダイオードで受光する、いわゆる“点測定”であ
るため、被検物の２次元空間における複屈折を測定する
には被検物や測定装置を調整する必要があり、また、平
板でなくレンズ（非平行板）を測定するような場合、被
検物の透過光が屈折するため、そのセッティングが困難
である問題がある。

【００１０】また、被検物に関しても、特にレーザプリ
ンタ等で用いられる光書込み系用のプラスチックレンズ
は、小径のプラスチックレンズ、或いは光ディスクに比
べて肉厚が厚く光源波長で決まる測定範囲を上回るよう
な複屈折及び複屈折分布を持つ場合も十分に考えられ
る。

【００１１】このようなことから、複屈折測定方法とし
ては、光源波長による制約を受けることなく、大きな複
屈折の測定が可能であることが要求される。

【００１２】そこで、本発明は、光源波長による制約を
受けることなく、その測定範囲を越えるような大きな複
屈折位相差の２次元空間分布の測定が可能な複屈折測定
方法及びその装置を提供することを目的とする。

【００１３】また、本発明は、上記目的を達成するため
に、被検物を透過した楕円偏光の回転方向の検出方法
や、楕円偏光の楕円長軸方向の検出方法を明らかにす
る。

【００１４】さらには、本発明は、被検物がレンズであ
る場合でも、歪みの少ない鮮明な被検物透過像を得るこ
とができ、高精度な測定が可能な複屈折測定装置を提供
することを目的とする。

【００１５】また、本発明は、光書込み系用レンズのよ
うに被検物が複数のレンズよりなるレズ群の場合であっ
ても、その実使用に則した状態で測定が可能な複屈折測
定装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明の複
屈折測定方法は、光源から発せられた波長λの光を偏光
素子によりほぼ円偏光の状態で所定位置に配設された被
検物に対して照射し、前記被検物の透過光の偏光状態に
おいて直交する２方向振動成分の位相差にほぼλ／４の
位相差を与える直線位相子及び前記被検物の透過光の偏
光の方向を任意に回転させる旋光子として作用するλ／
４板とこのλ／４板を透過した光の偏光状態を検出する
ための偏光子とを光のほぼ進行方向回りに回転させなが
らその回転角度を検知し、この偏光子を透過した光を結
像光学系によりアレイ状の受光素子のほぼ受光面上に結
像させ、検知された前記λ／４板及び前記偏光素子の回
転角度と前記受光素子により受光検出された受光出力と
に基づき前記被検物の複屈折を算出するとともに、前記
被検物を透過した光の楕円偏光の回転方向及びその楕円
長軸方向を検出して前記被検物の複屈折位相差の２次元
空間分布を測定するようにした。

【００１７】そのための装置として、請求項５記載の発
明は、波長λの光を発する光源と、この光源からの光を
ほぼ円偏光の状態で被検物に照射させる偏光素子と、前
記被検物の透過光の偏光状態において直交する２方向振
動成分の位相差にほぼλ／４の位相差を与える直線位相
子及び前記被検物の透過光の偏光の方向を任意に回転さ
せる旋光子として作用するλ／４板と、このλ／４板を
透過した光の偏光状態を検出するための偏光子と、これ
らのλ／４板及び偏光子を各々ほぼ光の進行方向回りに
回転させる回転手段と、この回転手段によるこれらのλ
／４板及び偏光子の回転角度を検知する回転角検知手段
と、前記偏光子を透過した光を受光するアレイ状の受光
素子と、前記偏光子を透過した光を前記受光素子上に結
像させる結像光学系と、前記回転角検知手段により検知
された回転角度と前記受光素子により受光検出される受
光出力とに基づき前記被検物の複屈折を算出する演算手
段と、前記被検物を透過した光の楕円偏光の回転方向及
びその楕円長軸方向を検出して前記被検物の複屈折位相
差の２次元空間分布を測定する測定範囲拡大手段と、を
備える。

【００１８】従って、被検物を透過した光の楕円偏光の
回転方向とその楕円長軸方向とを基にして、使用する光
源の波長により決まる測定範囲内で得られた複屈折の位
相差結果に所定の変換処理を加えることで、結果とし
て、その測定範囲を越えるような大きな複屈折位相差の
２次元空間分布を測定することができる。

【００１９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の複
屈折測定方法において、前記λ／４板を透過する楕円偏
光の楕円長軸方向を検出することにより、前記被検物を
透過した光の楕円偏光の回転方向を検出するようした。
請求項６記載の発明は、請求項５記載の複屈折測定装置
において、前記測定範囲拡大手段は、前記λ／４板を透
過する楕円偏光の楕円長軸方向を検出することにより、
前記被検物を透過した光の楕円偏光の回転方向を検出す
る。

【００２０】従って、λ／４板を透過する楕円偏光の楕
円長軸方向に着目すれば、楕円偏光の長軸方向の符号が
反転する個所を検出することで、被検物を透過した光の
楕円偏光の回転方向がわかるので、請求項１又は５記載
の発明を容易に実現できる。

【００２１】請求項３記載の発明は、請求項１記載の複
屈折測定方法において、前記λ／４板を透過する楕円偏
光の楕円長軸方向の前記受光素子上における隣接素子間
での変化を検出することにより、前記被検物を透過した
光の楕円偏光の楕円長軸方向を検出するようした。請求
項７記載の発明は、請求項５記載の複屈折測定装置にお
いて、前記測定範囲拡大手段は、前記λ／４板を透過す
る楕円偏光の楕円長軸方向の前記受光素子上における隣
接素子間での変化を検出することにより、前記被検物を
透過した光の楕円偏光の楕円長軸方向を検出する。

【００２２】従って、被検物の主軸方位により楕円長軸
方向の符号の傾向が変わるので、測定画素における光強
度変化の位相の符号のみからは一意的に位相差の範囲を
決定できないが、受光素子上における隣接素子同士で光
強度変化の位相の符号を比較することにより、符号の変
化を検出でき、この検出結果を基に修正することによ
り、測定範囲を広げることができ、請求項１又は５記載
の発明を容易に実現できる。

【００２３】請求項４記載の発明は、請求項１，２又は
３記載の複屈折測定方法において、任意に設定した２次
元被検空間内での基準位置における複屈折位相差の絶対
量を推定し、推定された複屈折位相差の絶対量を測定さ
れた複屈折位相差の２次元空間分布の測定値全てに適用
して２次元空間全体における複屈折位相差の絶対量を測
定するようにした。

【００２４】請求項１記載の発明による場合、２次元被
検空間において基準と設定した位置での複屈折測定値に
対する任意位置での測定値の変化分（分布と呼ぶ）が、
複屈折位相差の２次元空間分布として得られる。換言す
れば、基準位置での複屈折測定値に対する比較値とな
る。従って、基準位置での測定値が、既に、使用光源波
長により決まる測定範囲を越えている可能性もあり、こ
の場合の測定値は複屈折の絶対量とは必ずしもいえな
い。ここに、任意に設定した２次元被検空間内での基準
位置における複屈折位相差の絶対量を推定しておき、そ
の推定値を請求項１記載の発明の方法により測定された
基準位置での複屈折位相差の２次元空間分布の測定値全
てに適用することにより、２次元空間全体における複屈
折位相差の絶対量を知ることが可能となる。即ち、使用
する光源の波長により制限される測定範囲につき、それ
を越えるような大きな複屈折を持つ被検物でも２次元被
検空間全体における複屈折の絶対量を知ることができ
る。

【００２５】請求項８記載の発明は、請求項５記載の複
屈折測定装置において、前記光源から発せられた光を発
散光又は収束光として前記被検物に照射させる照射光学
系と、前記被検物に対する前記照射光学系の光軸方向の
位置を移動調整する照射側移動手段と、前記λ／４板と
前記偏光子と前記受光素子と前記結像光学系とを一体と
して光軸にほぼ直交する方向に移動調整する受光側移動
手段とを備える。

【００２６】従って、被検物の透過光に関して光学的な
歪み、光線のけられ、重なりによるノイズの少ない光弾
性干渉縞を得ることができ、被検物がレンズの場合でも
高精度な複屈折の測定が可能となる。また、被検物とし
てのレンズの口径が大きい場合にも、受光側移動手段に
より受光素子等を光学系光軸方向とほぼ垂直な方向に移
動させながら測定することで、その全面に渡っての測定
が可能となる。

【００２７】請求項９記載の発明は、請求項５又は８記
載の複屈折測定装置において、前記被検物が複数のレン
ズからなるレンズ群であり、このレンズ群を保持する保
持手段を備える。

【００２８】レーザプリンタ等における書込み光学系用
のレンズの場合、複数のレンズからなるレンズ群により
構成されるが、各レンズの持つ複屈折の相乗効果が書き
込み光学系の実使用状態においてレンズ群を透過するビ
ームに影響を与えるので、レンズ群としての実使用状態
での複屈折測定値が透過ビームを評価する上で有効な情
報となる。ここに、このようなレンズ群を保持する保持
手段を備えることで、レンズ群に関しても実使用状態で
の測定が可能となる。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態を図１
ないし図４に基づいて説明する。図１は本実施の形態の
複屈折測定装置を示す構成図である。本実施の形態で測
定対象とする被検物１は図示しないホルダにより保持さ
れる。このような被検物１に対して、まず、波長λで直
線偏光状態の光を発する光源としての半導体レーザ２と
半導体レーザ２からの直線偏光をほぼ円偏光の状態に変
換する偏光素子としてのλ／４板３とが設けられてい
る。被検物１とλ／４板３との間には、円偏光状態の光
を平行化するビームエキスパンダ４が設けられている。

【００３０】また、被検物１の透過出射側の光軸上に
は、λ／４板５が設けられている。このλ／４板５は、
被検物１の透過光の偏光状態において直交する２方向振
動成分の位相差にほぼλ／４の位相差を与える直線位相
子及び被検物１の透過光の偏光の方向を任意に回転させ
る旋光子として作用する。即ち、λ／４板５は被検物１
を透過することでその複屈折により円偏光に近い楕円偏
光となった光束を直線偏光に近い楕円偏光に変換する。
また、λ／４板５の後段には、偏光子としての偏光板６
が配設されている。この偏光板６はλ／４板５を透過し
た光の偏光状態を検出する機能を持つ。偏光板６の後段
には、結像光学系を構成する結像レンズ７と、その結像
光を受光するアレイ状の受光素子としてのＣＣＤカメラ
８が設けられている。結像レンズ７は被検物１の近傍と
結像関係が成立するようにその位置が調整されている。
また、結像レンズ７は材質的にはガラスレンズのように
その内部の複屈折が十分に除去されたものが用いられて
いる。

【００３１】また、λ／４板５と偏光板６とに対して
は、各々ほぼ光の進行方向回りに回転させるステッピン
グモータ９，１０及びギヤ系１１，１２が回転手段１３
として設けられている。これらのステッピングモータ
９，１０には回転原点位置センサ（図示せず）が取り付
けられており、ステッピングモータ９，１０のパルス数
を計数することによりλ／４板５、偏光板６各々の回転
角度の検知が可能とされている（実際には、後述するパ
ソコン中でのパルス数の計数動作に基づきλ／４板５、
偏光板６各々の回転角度が検知される…回転角検知手
段）。１４はこれらのステッピングモータ９，１０を駆
動するモータドライバであり、パソコン１５及びパルス
発生器１６からのパルスを受けてステッピングモータ
９，１０を駆動する。

【００３２】また、ＣＣＤカメラ８により撮像された画
像データは、画像入力器１７を通してパソコン１５のメ
モリ中に取り込まれ、画像データ及びステッピングモー
タ９，１０の回転角度データを基に、所定の演算方法に
よって被検レンズ１の複屈折位相差及び主軸方位が計算
される。このパソコン１５中に含まれるＣＰＵを始めと
する演算処理機能により被検物１の複屈折を算出する演
算手段としての機能、及び、後述する測定範囲拡大手段
の機能が実行される。ちなみに、ＣＣＤカメラ８により
撮像された画像はパソコン１５のモニタ或いは専用のモ
ニタに表示される。

【００３３】このような構成において、まず、本実施の
形態の場合の複屈折測定方法の原理について説明する。
なお、基本設定として、半導体レーザ２の偏光の方位は
地面に対して水平とし、λ／４板３の方位は地面に水平
な方向に対して４５度に設定して、被検物１に円偏光を
照射するものとする。また、λ／４板５及び偏光板６の
方位が地面に対して水平なときを測定における回転原点
とする。

【００３４】まず、被検物１をホルダにより所定の位置
にセットし、λ／４板５の方位を回転原点から４５度回
転した状態で、偏光板６を回転原点から（１８０／ｎ）
度ずつ回転させる。ｎは予め設定された測定ポイント数
である。そこで、偏光板６が（１８０／ｎ）度回転する
毎にＣＣＤカメラ８で読み取ったＣＣＤ画像データをパ
ソコン１５のメモリに取り込んで、偏光板６の回転角度
データとｎ枚のＣＣＤ画像データとを取得する。次に、
λ／４板５の方位を水平に対して０度にセットし（回転
原点に戻し）、前述した場合と同様に、偏光板６を回転
原点位置から（１８０／ｎ）度ずつ回転させながら、Ｃ
ＣＤ画像データをパソコン１５のメモリに取り込んで偏
光板６の回転角度データとｎ枚のＣＣＤ画像データとを
取得する。このようにしてパソコン１５で取得した２ｎ
枚のＣＣＤ画像データと偏光板６の回転角度データとを
基に、演算手段によって、以下の手順で演算処理するこ
とで、被検物１の複屈折を求める。

【００３５】まず、λ／４板５の方位を回転原点から４
５度回転したとき、偏光板６の回転に伴い、ＣＣＤカメ
ラ８の各画素により検出される光強度Ｉ₄₅は、 Ｉ₄₅＝（１／２）(１＋cosδcos２θ−sinδcos２φsin２θ） ……（２） で表される。また、λ／４板５の方位を回転原点に戻し
たとき、偏光板６の回転に伴い、ＣＣＤカメラ８の各画
素により検出される光強度Ｉ₀は、 Ｉ₀ ＝（１／２）(１＋sinδsin２φcos２θ−cosδsin２θ） ……（３） で表される。これらの（２）(３)式において、θは偏光
板６の主軸方位、δは被検物１の複屈折位相差、φは被
検レンズ１の主軸方位である。

【００３６】ここに、偏光板６の回転に伴う光強度変化
の位相を各々ψ₄₅，ψ₀ とすると、（２）(３)式より、
これらの位相ψ₄₅，ψ₀ は、 ψ₄₅＝tan^-1（−tanδsin２φ） …………………………………（４） ψ₀ ＝tan^-1（−１／tanδcos２φ） …………………………………（５） のように表される。

【００３７】また、取り込んだＣＣＤ画像データと偏光
板６の回転角データとにより、ψ₄₅，ψ₀ とは、次の
（６）(７)式 ψ₄₅＝tan^-1｛Σ(Ｉ_45i・sin２θ_i）／Σ(Ｉ_45i・cos２θ_i）} …（６） ψ₀ ＝tan^-1｛Σ(Ｉ_0i・sin２θ_i）／Σ(Ｉ_0i・cos２θ_i）} …（７） で計算される。

【００３８】従って、これらの（４）〜（７）式より、 δ＝tan^-1√｛tan²ψ₄₅＋（１／tan²ψ₀）｝ …………………（８） φ＝（１／２）tan^-1（−tanψ₀tanψ₄₅） …………………（９） により、位相差δ、主軸方位φが求められる。

【００３９】このようにして基本的に測定される位相差
測定結果は、（８）式から明らかなように、０〜λ／４
（位相角にすると、０〜π／２）の範囲での測定値しか
得られないこととなる。

【００４０】ちなみに、図２は、当該複屈折測定装置に
おいて、被検物１を透過した光の偏光状態と被検物１の
複屈折位相差とを対比させて示す説明図である。この場
合、当該複屈折測定装置の位相差測定範囲が０〜λ／４
であるため、図２における０〜λ／４，λ／４〜λ／
２，λ／２〜３λ／４〜λの範囲の位相差は全て同じ測
定結果となってしまう。

【００４１】この点、図２に注目すると、被検物１の位
相差が（２ｍ＋１）・λ／４となる前後で楕円偏光の回
転方向が反転し、ｍ・λ／２のとき、楕円偏光の長軸方
向が９０度変化することがわかる。そこで、本実施の形
態では、パソコン１５により実行される機能として、測
定範囲拡大手段の機能を持たせ、被検物１を透過した光
の楕円偏光の回転方向及びその楕円長軸方向の変化を検
出することにより、当該複屈折測定装置における複屈折
位相差の測定範囲を拡大することで、被検物１の複屈折
位相差の２次元空間分布を測定できるようにしたもので
ある。

【００４２】次に、被検物１を透過した楕円偏光の回転
方向の検出方法について説明する。以下の説明では、０
〜３６０度の角度を０〜λとして表すものとする。

【００４３】図３は、偏光状態を表示するポアンカレ球
を表しており、右回り楕円偏光は上半球、左回り楕円偏
光は下半球に位置し、左右の円偏光は各々下極、上極に
位置する。また、赤道上の位置は直線偏光を表し、Ｓ₁
軸と球との交点が水平直線偏光、Ｓ₂ 軸と球との交点が
４５度直線偏光を表す。図１の複屈折測定装置では、被
検物１に右円偏光を照射するため、被検物１の複屈折に
より楕円化された光は、上極の位置から下極に向かって
その位置が移ることになる。また、図１におけるλ／４
板５はλ／４の直線位相子、２Θの旋光子（Θ：λ／４
板５の水平に対する方位角）として作用するので、λ／
４板５を透過した光の偏光状態は、図３のＳ₁Ｓ₂平面内
でＳ₁ 軸と２Θの角度をなし、かつ、球の中心から延ば
した軸を回転軸として、λ／４だけ回転させた位置での
ものとなる。

【００４４】ここで、λ／４板５の方位を０（Θ＝０：
水平）とした場合について、被検物の複屈折位相差δが
０〜λ／４の範囲、即ち、被検物１を透過した光が右回
り楕円偏光のとき、λ／４板５を透過した光の偏光状態
はＳ₁ 軸方向から球を観測して右側の下半球（左回り楕
円偏光）に位置する。一方、被検物の複屈折位相差δが
λ／４〜λ／２の範囲、即ち、被検物１を透過した光が
左回り楕円偏光のとき、λ／４板５を透過した光の偏光
状態はＳ₁ 軸方向から球を観測して左側の下半球（左回
り楕円偏光）に位置する。従って、両者で楕円偏光の長
軸方向の符号が反転しているため、それを検出すること
により、被検物１を透過した楕円偏光の回転方向がわか
る。

【００４５】λ／４板５の方位を０としたときの透過楕
円偏光の長軸方向は、前述した位相ψ₀ に相当するた
め、ψ₀ の符号をみることによって被検物１を透過した
楕円偏光の回転方向を検知することができ、これによ
り、被検物１の複屈折位相差の範囲が０〜λ／４かλ／
４〜λ／２かを区別できる。即ち、 ψ₀ ≦０ → ０≦δ≦λ／４ ψ₀ ＞０ → λ／４＜δ≦λ／２ と一意的に決めることにより、測定範囲を０〜λ／２ま
で拡大することができる。

【００４６】次に、被検物１を透過した楕円偏光の楕円
長軸方向の検出方法について説明する。前述したよう
に、図１に示した複屈折測定装置では、ＣＣＤカメラ８
の各画素の出力に基づき複屈折の測定が実施され、前述
したように位相差δ、主軸方位φが計算されるが、任意
の画素での検出データにつき、それと隣り合う画素での
検出データと比較することにより、その測定値がλ／２
を上回っているか、或いは、０を下回っているかを判断
する。この結果、０〜λ／２を越える測定範囲での測定
を可能とする。

【００４７】前述のポアンカレ球について、λ／４板５
の方位を４５度にセットした場合を考える。この場合
は、λ／４板５の作用による偏光状態の遷移は、Ｓ₂ 軸
を回転軸としてλ／４だけ回転するようにポアンカレ球
での位置を変える。被検物１の複屈折の主軸方位が０〜
λ／８の範囲にあるとすると、被検物１の複屈折位相差
が０〜λ／２のとき、Ｓ₂ 軸の方向から見て右半球に移
る。また、被検物１の複屈折位相差がλ／２〜λのと
き、Ｓ₁ 軸の方向から見て右半球に移り、両範囲で楕円
偏光の楕円長軸方向の符号が反転する。被検物１の複屈
折の主軸方位がλ／８〜λ／４の範囲にあるときは逆に
被検物１の複屈折位相差が０〜λ／２のとき、Ｓ₁ 軸の
方向から見て左半球に移り、被検物１の複屈折位相差が
λ／２〜λのとき、Ｓ₁ 軸の方向から見て左半球に移
る。ここでの楕円偏光の楕円長軸方向は、前述した
（４）式の位相ψ₄₅に相当する。

【００４８】このように被検物１の主軸方位φにより楕
円偏光の楕円長軸方向の符号の傾向が変わるので、ＣＣ
Ｄカメラ８における測定画素におけるψ₄₅の符号のみか
ら一意的に位相差の範囲を決定できないが、隣合う画素
同士でψ₄₅の符号を比較することにより、符号の変化は
検出できる。

【００４９】一方、２次元空間における任意の１断面で
の測定結果の分布の一例を示すと、図４（ａ）に示すよ
うになる。図４（ａ）において、横軸は測定位置を表
し、縦軸は位相差測定値を表し、正しい位相差の分布
（本来の値）と、図１の複屈折測定装置において測定範
囲を前述のように０〜λ／２まで拡大した後の位相差分
布（測定値）とを対比して示している。図４（ａ）にお
いて、位相差測定値が０度或いは１８０度になる前後で
測定値の増減の傾向が変化する。上述のように、位相差
測定値が０度、或いは、１８０度になる前後では隣合う
画素同士でのψ₄₅の符号の変化が検出されるので、それ
を基に増減を修正すると、図４（ｂ）に示すように、測
定範囲を−λ／２〜λ／２まで拡大することができる。
そして、その後、さらに隣接する画素同士でλの段差を
検出し、その段差を補正することにより、光源である半
導体レーザ２の波長に制限されず、大きな複屈折位相差
を測定できる。

【００５０】本発明の第二の実施の形態を図５に基づい
て説明する。本実施の形態では、２次元被検空間内の基
準と設定する位置にて、複屈折位相差の絶対量を推定す
るための構成が付加されている。図５において、２１は
白色光源ユニット、２２は偏光板２３とλ／４板２４と
による円偏光子、２５は偏光板２６とλ／４板２７とに
よる円偏光子である。これにより、被検物１には円偏光
が照射され、被検物１の複屈折がないときには図の観察
者の方向から見ると消光状態が得られるように、各々の
偏光板２３，２６が調整されている。

【００５１】ここに、円偏光による干渉のため、図の観
察者の方向から観察される光弾性干渉縞は被検物１の位
相差のみの影響を受けており、また、光源に白色光源ユ
ニット２１を用いているので、干渉縞が着色して観察さ
れる。λ／４板２４，２７には波長依存性があるため、
中心波長からずれるに従い若干の誤差を生ずるものの、
干渉色と位相差とには一定の関係（ニュートンのカラー
スケールなど）があるので、この干渉縞を見ることによ
って、２次元被検空間内の基準位置における位相差の大
凡の推定が可能である。

【００５２】そこで、前述したような測定方法により得
られる位相差測定結果をδとすると、その絶対量δ′
は、 δ′＝ｍ・λ±δ（ｍ：縞次数） ……………………………（１０） として表され、縞次数ｍが特定できれば位相差の絶対量
δ′を求めることができる。

【００５３】図５に示した構成による干渉縞の観察によ
り位相差が採るべき大凡の範囲を推定できるため、その
範囲に入るようにして、（１０）式の縞次数ｍを決定す
ることができる。

【００５４】従って、手順としては、まず、図１に示し
たような複屈折測定装置により被検物１の複屈折位相差
の２次元空間分布を測定した後、図５に示すような構成
を用いて、任意に設定した２次元被検空間内での基準位
置における複屈折位相差の絶対量を推定、即ち、基準位
置における縞次数ｍを決定する。次に、その縞次数ｍを
先に測定した２次元空間分布の測定値全てに適用するこ
とで、２次元空間全体における複屈折位相差の絶対量を
知ることができる。

【００５５】なお、２次元被検空間内での基準位置にお
ける複屈折位相差の絶対量を知る（推定する）方法とし
ては、干渉色からの判別法以外にも、例えば、回転検光
子法などの点測定法において光源に多波長を用いて測定
するようにしてもよい。

【００５６】本発明の第三の実施の形態を図６に基づい
て説明する。本実施の形態では、まず、図１に示した構
成において、被検物１に代えて、被検物としての被検レ
ンズ３１が用いられ、これに対応してビームエキスパン
ダ４に代えて、照射光学系３２が用いられている。この
照射光学系３２はレンズ３３とピンホール３４とにより
構成されている。レンズ３３は、顕微鏡における対物レ
ンズと同等の役目を果たすもので、被検レンズ３１に対
して発散光を照射する。ピンホール３４はスペイシャル
フィルタとして作用する。これらのレンズ３３とピンホ
ール３４とは光軸方向に移動可能なステージ３５に搭載
されており、このステージ３５を駆動するためのステッ
ピングモータ（図示せず）の回転により光軸方向に進退
移動する。ここに、ステージ３５とステッピングモータ
等とにより照射側変位手段が構成されており、被検レン
ズ３１に対するレンズ３３の光軸方向の位置（距離）が
調整自在とされている。また、このステッピングモータ
には回転原点位置センサが設けられており、レンズ３３
と被検レンズ３１との距離を予め所定距離に設定し、そ
の状態をステージ３５の移動原点としておけば、ステッ
ピングモータに供給するパルス数を計数することで、ス
テージ３５の移動に伴うレンズ３３と被検レンズ３１と
の距離の変化を検知できる。

【００５７】一方、λ／４板５、偏光板６、結像レンズ
７、ＣＣＤカメラ８及び回転手段１３がベース３６に搭
載され、ガイド３７により測定光学系の光軸に対してほ
ぼ直交する方向（図面上、矢印で示す上下方向）に移動
自在とされている。このベース３６はステッピングモー
タ３８により変位駆動される。ここに、これらのベース
３６、ガイド３７、ステッピングモータ３８等により、
λ／４板５と偏光板６と結像レンズ７とＣＣＤカメラ８
とを一体として光軸に直交する方向に移動調整する受光
側変位手段３９が構成されている。

【００５８】ここに、被検レンズ３１を透過した光は、
レンズ３３を（１１）式 Δ＝ｆ₀ ＋ｆ₁ ………………………………………（１１） ただし、ｆ₀ ；レンズ３３の焦点距離 ｆ₁ ；被検レンズ３１の焦点距離 Δ ；レンズ３１，３３間の間隔 を満たすような位置に設置する（即ち、レンズ３３と被
検レンズ３１とがアフォーカル系を構成する）ことで、
ほぼ平行光束となる。

【００５９】そこで、被検レンズ３１の透過光をこのよ
うにコリメートし、被検レンズ３１の近傍を結像レンズ
７及びＣＣＤカメラ８により観察することにより、光学
的な歪み、光線のけられ、重なりによるノイズの少ない
光弾性干渉縞画像を得ることができる。よって、被検物
が被検レンズ３１である場合も、高精度な複屈折測定が
可能となる。また、被検レンズ３１の口径が大きい場合
も、ベース３６を光学系光軸とほぼ垂直な方向に移動さ
せながら測定を行うことで、被検レンズ３１の全面に渡
る測定が可能となる。

【００６０】本発明の第四の実施の形態について説明す
る。本実施の形態は、被検物がレーザプリンタ等におけ
る書込み光学系用のレンズのような場合に適用される。
このような場合、被検物は複数のレンズからなるレンズ
群により構成される。ここに、各レンズの持つ複屈折の
相乗効果が書き込み光学系の実使用状態においてレンズ
群を透過するビームに影響を与えるので、レンズ群とし
ての実使用状態での複屈折測定値が透過ビームを評価す
る上で有効な情報となる。そこで、本実施の形態では、
このようなレンズ群をホルダ（図示せず）等の保持手段
で保持するとともに、図６における被検レンズ（レンズ
群）３１に発散光を照射するレンズ３３と被検レンズ３
１との間隔を、書き込み光学系における実使用時の点光
源とレンズ群との間隔に相当するようにセットしてから
測定を実施させるものである。これより、レンズ群に関
しても実使用状態に則した状態での測定が可能となる。

【００６１】

【発明の効果】請求項１及び５記載の発明によれば、被
検物を透過した光の楕円偏光の回転方向とその楕円長軸
方向とを基にして、使用する光源の波長により決まる測
定範囲内で得られた複屈折の位相差結果に所定の変換処
理を加えることで、結果として、その測定範囲を越える
ような大きな複屈折位相差の２次元空間分布を測定する
ことができる。

【００６２】請求項２及び６記載の発明によれば、λ／
４板を透過する楕円偏光の楕円長軸方向に着目し、楕円
偏光の長軸方向の符号が反転する個所を検出すること
で、被検物を透過した光の楕円偏光の回転方向がわかる
ことから、請求項１又は５記載の発明を容易に実現でき
る。

【００６３】請求項３及び７記載の発明によれば、被検
物の主軸方位により楕円長軸方向の符号の傾向が変わる
ので、測定画素における光強度変化の位相の符号のみか
らは一意的に位相差の範囲を決定できないが、受光素子
上における隣接素子同士で光強度変化の位相の符号を比
較することにより、符号の変化を検出でき、この検出結
果を基に修正することにより、測定範囲を広げることが
でき、請求項１又は５記載の発明を容易に実現できる。

【００６４】請求項４記載の発明によれば、任意に設定
した２次元被検空間内での基準位置における複屈折位相
差の絶対量を推定しておき、その推定値を請求項１記載
の発明の方法により測定された基準位置での複屈折位相
差の２次元空間分布の測定値全てに適用することによ
り、２次元空間全体における複屈折位相差の絶対量を知
ることが可能となる。即ち、使用する光源の波長により
制限される測定範囲につき、それを越えるような大きな
複屈折を持つ被検物でも２次元被検空間全体における複
屈折の絶対量を知ることができる。

【００６５】請求項８記載の発明によれば、被検物の透
過光に関して光学的な歪み、光線のけられ、重なりによ
るノイズの少ない光弾性干渉縞を得ることができ、被検
物がレンズの場合でも高精度な複屈折の測定が可能とな
る。また、被検物としてのレンズの口径が大きい場合に
も、受光側移動手段により受光素子等を光学系光軸方向
とほぼ垂直な方向に移動させながら測定することで、そ
の全面に渡っての測定が可能となる。

【００６６】請求項９記載の発明よれば、レーザプリン
タ等における書込み光学系用のレンズの場合、複数のレ
ンズからなるレンズ群により構成されるが、このような
レンズ群に関しても実使用状態での測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態の複屈折測定装置を
示す構成図である。

【図２】被検物を透過した光の偏光状態と被検物の複屈
折位相差とを対比させて示す説明図である。

【図３】偏光状態を表示するポアンカレ球を示す斜視図
である。

【図４】２次元空間における任意の１断面での測定結果
の分布及び修正後の分布を示す特性図である。

【図５】本発明の第二の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図６】本発明の第三の実施の形態の複屈折測定装置を
示す構成図である。

【符号の説明】

１ 被検物 ２ 光源 ３ 偏光素子 ５ λ／４板 ６ 偏光子 ７ 結像光学系 ８ 受光素子 １３ 回転手段 ３１ 被検物 ３２ 照射光学系 ３９ 受光側変位手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 G01J 3/00 - 3/52 G01J 4/00 - 4/04 G01M 11/00 - 11/08 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から発せられた波長λの光を偏光素
   子によりほぼ円偏光の状態で所定位置に配設された被検
   物に対して照射し、前記被検物の透過光の偏光状態にお
   いて直交する２方向振動成分の位相差にほぼλ／４の位
   相差を与える直線位相子及び前記被検物の透過光の偏光
   の方向を任意に回転させる旋光子として作用するλ／４
   板とこのλ／４板を透過した光の偏光状態を検出するた
   めの偏光子とを光のほぼ進行方向回りに回転させながら
   その回転角度を検知し、この偏光子を透過した光を結像
   光学系によりアレイ状の受光素子のほぼ受光面上に結像
   させ、検知された前記λ／４板及び前記偏光素子の回転
   角度と前記受光素子により受光検出された受光出力とに
   基づき前記被検物の複屈折を算出するとともに、前記被
   検物を透過した光の楕円偏光の回転方向及びその楕円長
   軸方向を検出して前記被検物の複屈折位相差の２次元空
   間分布を測定するようにした複屈折測定方法。
2. 【請求項２】 前記λ／４板を透過する楕円偏光の楕円
   長軸方向を検出することにより、前記被検物を透過した
   光の楕円偏光の回転方向を検出するようした請求項１記
   載の複屈折測定方法。
3. 【請求項３】 前記λ／４板を透過する楕円偏光の楕円
   長軸方向の前記受光素子上における隣接素子間での変化
   を検出することにより、前記被検物を透過した光の楕円
   偏光の楕円長軸方向を検出するようした請求項１記載の
   複屈折測定方法。
4. 【請求項４】 任意に設定した２次元被検空間内での基
   準位置における複屈折位相差の絶対量を推定し、推定さ
   れた複屈折位相差の絶対量を測定された複屈折位相差の
   ２次元空間分布の測定値全てに適用して２次元空間全体
   における複屈折位相差の絶対量を測定するようにした請
   求項１，２又は３記載の複屈折測定方法。
5. 【請求項５】 波長λの光を発する光源と、 この光源からの光をほぼ円偏光の状態で被検物に照射さ
   せる偏光素子と、 前記被検物の透過光の偏光状態において直交する２方向
   振動成分の位相差にほぼλ／４の位相差を与える直線位
   相子及び前記被検物の透過光の偏光の方向を任意に回転
   させる旋光子として作用するλ／４板と、 このλ／４板を透過した光の偏光状態を検出するための
   偏光子と、 これらのλ／４板及び偏光子を各々ほぼ光の進行方向回
   りに回転させる回転手段と、 この回転手段によるこれらのλ／４板及び偏光子の回転
   角度を検知する回転角検知手段と、 前記偏光子を透過した光を受光するアレイ状の受光素子
   と、 前記偏光子を透過した光を前記受光素子上に結像させる
   結像光学系と、 前記回転角検知手段により検知された回転角度と前記受
   光素子により受光検出される受光出力とに基づき前記被
   検物の複屈折を算出する演算手段と、 前記被検物を透過した光の楕円偏光の回転方向及びその
   楕円長軸方向を検出して前記被検物の複屈折位相差の２
   次元空間分布を測定する測定範囲拡大手段と、を備える
   複屈折測定装置。
6. 【請求項６】 前記測定範囲拡大手段は、前記λ／４板
   を透過する楕円偏光の楕円長軸方向を検出することによ
   り、前記被検物を透過した光の楕円偏光の回転方向を検
   出する請求項５記載の複屈折測定装置。
7. 【請求項７】 前記測定範囲拡大手段は、前記λ／４板
   を透過する楕円偏光の楕円長軸方向の前記受光素子上に
   おける隣接素子間での変化を検出することにより、前記
   被検物を透過した光の楕円偏光の楕円長軸方向を検出す
   る請求項５記載の複屈折測定装置。
8. 【請求項８】 前記光源から発せられた光を発散光又は
   収束光として前記被検物に照射させる照射光学系と、前
   記被検物に対する前記照射光学系の光軸方向の位置を移
   動調整する照射側移動手段と、前記λ／４板と前記偏光
   子と前記受光素子と前記結像光学系とを一体として光軸
   にほぼ直交する方向に移動調整する受光側移動手段とを
   備える請求項５記載の複屈折測定装置。
9. 【請求項９】 前記被検物が複数のレンズからなるレン
   ズ群であり、このレンズ群を保持する保持手段を備える
   請求項５又は８記載の複屈折測定装置。