(57)【要約】【課題】小型で光弾性測定装置へのセッティングが容易な光弾性変調器およびそれを備えた光弾性測定装置を提供する。【解決手段】円盤状の光学素子４６の周側面の一端に圧電素子４７を接触させ、当該圧電素子４７と対向する側をフレーム４８に接触させて光学素子４６の両端を支持する。当該構成において、光弾性変調器４５の共振周波数を光学素子４６の共振周波数より低い周波数に設定して圧電素子４７から振動させる。このとき、光学素子４６に付与される振動は減衰した後、光学素子４６には圧電素子４７の慣性による応力のみが付与されるので、光学素子４６内には均一に複屈折量が発生し、この状態で光学素子４６に光を透過させることにより、透過光に変調がかけられる。【選択図】図１
2010091716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過する光の偏光の直交する２成分の位相差を変化させる光弾性変調器であって、
光を透過させる光学素子と、
前記光学素子と接触しつつ、光の入射面に直交する方向から振動を付与する振動発生手段と、
前記光学手段における振動発生手段との接触面と対向する面に接触して支持するフレームと、
を備えたことを特徴とする光弾性変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の光弾性変調器において、
前記振動発生手段は、光学素子単体の共振周波数より低い周波数の振動を光学素子に付与する
ことを特徴とする光弾性変調器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の光弾性変調器において、
前記振動発生手段に加重を付与して慣性質量を増加させるよう構成した
ことを特徴とする光弾性変調器。
【請求項４】
複数の層からなる透過性を有する測定対象物を保持する保持手段と、
前記測定対象物に向けて光を照射する照射手段と、
前記光を透過させて直交する２方向の偏光成分からなる偏光にする第１光学手段と、
前記偏光を透過させて前記測定対象物の所定層の界面に焦点を合せるレンズと、
前記測定対象物の焦点面から反射し、かつ、光弾性変調器を透過して戻る偏光のうち初期の光路を戻る第１偏光と、この第１偏光と直交する第２偏光を別光路に分離して出力する分離手段と、
分離された前記第２偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみを通過させるピンホールの形成された部材と、
前記ピンホールを通過した偏光の光強度を検出する第１検出手段と、
前記レンズと保持手段を偏光の光軸方向に沿って相対的に前後移動させる移動手段と、
前記保持手段と前記第１光学手段とを光軸回りに相対的に回転させる回転手段と、
前記回転手段により測定対象物に照射した偏光と、この測定対象物とを光軸回りに相対的に回転させ、少なくとも所定の３箇所ごとに前記第１検出手段で検出された前記偏光の光強度の変化量と検出角度（θ）の位置情報を取得するとともに、当該位置情報および偏光を透過させる前記レンズを含む光学部材が有する複屈折量（ｃ）に基づいて、[(φ/2)sin2(α-θ)+c]2となるモデルを近似して求め、当該モデルから測定対象物の各層に作用している主応力の差(φ/2)とその方向(α)を求める演算手段と、
前記レンズと分離手段との間に配備され、分離手段を透過してレンズに向かう偏光、および、測定対象物で反射してレンズを透過し、分離手段に戻る偏光に変調をかける前記請求項１から請求項３に記載の光弾性変調器と、
を備えたことを特徴とする光弾性測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の光弾性測定装置において、
前記分離手段で分離された第１偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみを通過させるピンホールの形成された部材と、
前記ピンホールを通過した偏光の光強度検出する第２検出手段とを備え、
前記演算手段は、前記第１検出手段により検出された偏光の光強度を前記第２検出手段により検出された偏光の光強度を除算する
ことを特徴とする光弾性測定装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の光弾性測定装置において、
前記回転手段は、前記第１光学手段から測定対象物に向う偏光を透過させ、その光軸回りに回転させる光学素子である
ことを特徴とする光弾性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子を透過する光の偏光角を変化させる光弾性変調器の構造に関するとともに、当該光弾性変調器を備え、液晶パネルやプラズマディスプレイパネルなどのような透過性を有する測定対象物に作用する応力や歪みなどを測定する前記光弾性変調器を備えた光弾性測定方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光弾性変調器としては、例えば、次のようなものが知られている。すなわち、図１２に示すように、直方体からなる光学素子６０の長手方向の一端に変調器６１が固着されて一体となった光学組立体を振動の伝搬方向と直行する幅方向においてばね６２を介して箱形のエンクロージャ６３内に懸架して構成されている。つまり、エンクロージャ６３内で光学組立体が自由に振動可能になっている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特表２００１−５１８６３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の各方法では次のような問題がある。
【０００５】
上記光弾性変調器は、エンクロージャ内における光学素子の振動の伝搬方向の先端が自由端になっているので、変調器から振動を光学素子付与した場合、図１３の鎖線で示すような振動モードＭになる。すなわち、光学素子６０の振動伝搬方向の中央付近で発生する節点NPで応力が大きくなり、複屈折量が大きくなる。そして、振動が自由端に向かうにつれて応力が小さくなるので、光学素子全体で均一な複屈折量にならないといった問題がある。
【０００６】
また、この方法で作成された光弾性変調器の共振周波数は、ガラスなどの光学素子単体の共振周波数とほとんど同じになるため、比較的大型になる。たとえば共振周波数が５０kHzでは光学素子の大きさは１０cm程度になる。そのため光学組立体が大型化するといった問題がある。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、光学素子全体で均一な複屈折量を有し、また設置の容易性および小型化を可能にする光弾性変調器およびそれを備えた光弾性測定装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、第１の発明は、透過する光の偏光の直交する２成分の位相差を変化させる光弾性変調器であって、
光を透過させる光学素子と、
前記光学素子と接触しつつ、光の入射面に直交する方向から振動を付与する振動発生手段と、
前記光学手段における振動発生手段との接触面と対向する面に接触して支持するフレームと、
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
（作用・効果）  第１の発明に係る光弾性変調器によれば、フレームを固定端として光学素子と振動発生手段とが一体となって振動するので、光学素子単体の振動よりも低い周波数で光弾性変調器全体を振動させることができる。
【００１０】
すなわち、振動発生手段の変動開始時に光学素子に付与された振動は、当該光学素子内で往復伝搬していく過程で均一に分散してゆくので、応力が均一に分布した状態になる。
【００１１】
なお、前記振動発生手段は、光学素子単体の共振周波数より低い周波数の振動を光学素子に付与することが好ましい（請求項２）。
【００１２】
この構成によれば、振動発生手段の振動周波数が光学素子単体の共振周波数より低いので、光学素子に付与された振動が光学素子内で減衰した後、光学素子に連続的に付与される振動発生手段の慣性質量に基づく微少な応力のみが光学素子内に均一に作用する。したがって、光学素子内に均一な複屈折が発生していることになる。その結果、光学素子において光の透過位置を任意に設定できるとともに、光学素子自体を小さくでき、ひいては光弾性変調器を小型化できる。
【００１３】
なお、上記構成において、前記振動発生手段に加重を付与して慣性質量を増加させるよう構成することが好ましい（請求項３）。
【００１４】
この構成によれば、振動発生手段から付与される周波数を光学素子単体の共振周波数よりも低い周波数の範囲で任意に調整することができる。
【００１５】
第４の発明は、複数の層からなる透過性を有する測定対象物を保持する保持手段と、
前記測定対象物に向けて光を照射する照射手段と、
前記光を透過させて直交する２方向の偏光成分からなる偏光にする第１光学手段と、
前記偏光を透過させて前記測定対象物の所定層の界面に焦点を合せるレンズと、
前記測定対象物の焦点面から反射し、かつ、光弾性変調器を透過して戻る偏光のうち初期の光路を戻る第１偏光と、この第１偏光と直交する第２偏光を別光路に分離して出力する分離手段と、
分離された前記第２偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみを通過させるピンホールの形成された部材と、
前記ピンホールを通過した偏光の光強度を検出する第１検出手段と、
前記レンズと保持手段を偏光の光軸方向に沿って相対的に前後移動させる移動手段と、
前記保持手段と前記第１光学手段とを光軸回りに相対的に回転させる回転手段と、
前記回転手段により測定対象物に照射した偏光と、この測定対象物とを光軸回りに相対的に回転させ、少なくとも所定の３箇所ごとに前記第１検出手段で検出された前記偏光の光強度の変化量と検出角度（θ）の位置情報を取得するとともに、当該位置情報および偏光を透過させる前記レンズを含む光学部材が有する複屈折量（ｃ）に基づいて、[(φ/2)sin2(α-θ)+c]2となるモデルを近似して求め、当該モデルから測定対象物の各層に作用している主応力の差(φ/2)とその方向(α)を求める演算手段と、
前記レンズと分離手段との間に配備され、分離手段を透過してレンズに向かう偏光、および、測定対象物で反射してレンズを透過し、分離手段に戻る偏光に変調をかける前記請求項１から請求項３に記載の光弾性変調器と、
を備えたことを特徴とする。
【００１６】
（作用・効果）  この構成によれば、保持手段に保持された測定対象物に向けて照射手段から照射された光が、光学手段によって直線偏光にされる。この偏光を照射しながら移動機構によって保持手段と測定対象物とが光軸方向に沿って前後に移動させられることにより、所定の界面に焦点が合わされる。その焦点面に向かう偏光、または、その焦点面および他の界面などで反射して戻る偏光に光弾性変調器に透過させられる。このとき、複屈折の変化量の影響を受けている偏光に、変調がかけられる。つまり、所定層に作用している複屈折の変化量の値が小さい場合であっても、基準となる閾値レベルが高められる。光弾性変調器を透過した反射光が第1光学手段に戻されると、複屈折による変化量の作用していない偏光が、第１偏光として初期光路に戻される。複屈折による変化量の作用して生じた反射光は、第２偏光として光学手段によって第１偏光とは別光路に出力される。
【００１７】
分離手段から出力された第２偏光がピンホールを通過するときに、焦点の合わされた所定の界面から反射して戻る偏光のみが抽出され、この偏光が第１検出手段により検出される。この処理を１サイクル処理とし、直線偏光と測定対象物を相対的に回転させ、任意の少なくとも３箇所の回転角度ごとに、１サイクル処理を行って各サイクル処理時の第２偏光の光強度の変化量を取得する。
【００１８】
演算手段は、サイクル処理ごとに取得した複数個の光強度の変化量とその回転角度の位置情報を取得し、当該位置情報および装置構成中の偏光が透過するレンズ等の光学部材が有する複屈折量とに基づいて、[(φ/2)sin2(α-θ)+c]2となるモデルを最小２乗法から近似して求め、このモデルから測定対象物の各層に作用している主応力の差(φ/2)とその方向(α)を求めることができる。
【００１９】
なお、この装置発明に備わった光弾性変調器を構成する光学素子は、均一な複屈折を発生させることができるため光学素子内の任意の位置に光を透過させることができる。したがって、セッティングが容易になるとともに、装置構成も小型化できる。
【００２０】
なお、この装置発明によれば、前記分離手段で分離された第１偏光のうち前記焦点面から反射して戻る偏光のみを通過させるピンホールの形成された部材と、
前記ピンホールを通過した偏光の光強度検出する第２検出手段とを備え、
前記演算手段は、前記第１検出手段により検出された偏光の光強度を前記第２検出手段により検出された偏光の光強度を除算するるように構成することが好ましい（請求項５）。
【００２１】
この構成によれば、第１および第２偏光が干渉の反射率により第1偏光成分が０でない限り第２偏光成分を補正することができる。また、第１層の第1面からの反射光の光強度の変化量は、複屈折の変化量を含まない測定対象物の第１面から反射する光量で補正でき、測定精度を上げられる。
【００２２】
なお、この装置発明の回転手段として、例えば、第１光学手段から測定対象物に向う偏光を透過させ、その光軸回りに回転させる光学素子を利用してもよい。（請求項６）。
【００２３】
この構成によれば、回転角度ごとに求まる偏光の光強度の値から[(φ/2)sin2(α-θ)+c]2となるモデルが最小２乗法で近似でき、応力差の方向(φ/2)とその向き(α)とが算出される。最低３種の異なる角度により偏光強度からモデルを見積もり事ができる。すなわち、第４の方法発明を好適に実現することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る光弾性変調器によると、振動発生手段から光学素子に付与される振動周波数を光学素子単体の共振周波数よりも低くすることにより、光学素子内のいずれの個所にも安定して複屈折量を内在させることことができるので、任意の位置に光を透過させることができる。その結果、光弾性変調器の小型化が可能になる。
【００２５】
また、光弾性測定装置によると、前記光弾性変調器を備えることにより、装置構成の小型化を図ることができる。さらに、光弾性変調器を用いることにより、１回の測定でワークに作用している弾性応力の圧縮、引っ張りを区別でき、その大きさとその方向を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２７】
図１は、本発明の光弾性変調器の概略構成を示す斜視図、図２は、その平面図、図３は、図２のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【００２８】
光弾性変調器４５は、図１−３に示すように、円盤状の光学素子４６と、当該光学素子４６の一端で接触する圧電素子４７と、光学素子４６を挟んで圧電素子４７と対向する位置で接触して当該光学素子４６を支持するフレーム４８とから構成されている。なお、圧電素子４７には、光弾性変調器４５の共振周波数に応じた周期で電圧印加信号を発生する信号発生器４９が接続されている。
【００２９】
光学素子４６の材質としては、例えば合成石英、ガラスが挙げられる。なお、光学素子自体が有する複屈折量は、微小であることが好ましい。例えば０．００１rad以下である。
【００３０】
また、光学素子４６の振動の伝搬方向の長さは、圧電素子４７との接触面（振動付与面）とフレーム４８との接触面との間で反射して光学素子内で往復する振動の伝搬時間よりも、圧電素子４７から間欠的に付与される光学素子４６に応じた規定振動の時間周期が長くなる長さになるよう設定されている。すなわち、光学素子４６の材料の物性値から求まる振動の伝搬速度Ｖと、光学素子内で振動が往復するときの光学素子４６の長さ２Ｌと、圧電素子４７から付与される振動の時間の周期（間隔）Ｔとの関係が、２Ｌ／Ｖ＜Ｔの関係を満たす長さに光学素子４６が設定される。
【００３１】
なお、光学素子４６と圧電素子４７との接続は、両素子の接触面に異物などがない状態で、両素子の周りをエポキシ樹脂などの接着剤５０で接着している。
【００３２】
フレーム４８は、凹形状であり、当該凹入部に光学素子４６を収納可能になっている。フレーム４８の材質は、光学素子４６から伝搬されてくる信号を反射可能なものが好ましく、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金の一種であるジュラルミンなどがより好ましい。
【００３３】
なお、光学素子４６とフレーム４８との接続は、接触面に異物などがない状態で、接触面の周りに形成されるフレーム４８と光学素子４６との間の間隙にエポキシ樹脂などの接着剤５０を充填して接着固定している。なお、光弾性変調器４５は、光軸に対して、水平方向から４５度回転して設置される。
【００３４】
次に、上記実施例の光弾性変調器の動作について説明する。
【００３５】
光学素子４６、圧電素子４７、およびフレーム４８からなる光弾性変調器４５の共振周波数を信号発生器４９に設定する。つまり、複数個の部材から構成された光電弾性変調器４５は、光学素子４６単体の質量よりも大きいので、その共振周波数は光学素子４６単体の共振周波数よりも低くなる。信号発生器４９に設定された規定の正弦波の信号が圧電素子４７に与えられると、圧電素子４７が作動する。当該作動に連動して光弾性変調器４５の共振周波数と同じ振動が圧電素子４７から光学素子４６に付与される。
【００３６】
光学素子４６に付与された振動は、圧電素子４７とフレーム４８との間で往復伝搬する。このとき、圧電素子４７の振動周波数は、光学素子４６単体の共振周波数よりも低いので、光学素子４６内で往復伝搬する過程で放射状に分散しながら短時間で減衰した後、圧電素子４７の慣性による応力のみが光学素子４６に与えられる
【００３７】
つまり、光学素子４６内には均一な応力が作用させられる。換言すれば、光学素子４６内に複屈折が均一に作用している。
【００３８】
図１および図２に示すように、複屈折が発生している当該状態の光学素子４６に対して、平面視したときの円形面側から光を透過させると、光学素子４６を透過した光の偏光状態が変化する。すなわち、振動周波数によって光学素子４６を透過する光の偏光が変調される。
【００３９】
なお、変調の度合いは光学素子４６に発生している複屈折の大きさに比例し、複屈折の大きさは光学素子４６で発生する歪みの大きさに比例する。
【００４０】
次に、上記実施例の光弾性変調器の具体例について説明する。
なお、本具体例において、光学素子４６は、直径１５ｍｍ、厚さ３ｍｍの合成石英を利用した。このとき、当該光弾性変調器４５の共振周波数が５０kHzであったので、信号発生器４９から５０kHzの正弦波信号が発生されるよう設定した。
【００４１】
上記設定が完了すると、光弾性変調器４５を作動させつつ、光学素子４６に光を透過させた。つまり、光学素子の複数箇所に光を透過させる実験を行った結果、全ての位置において測定結果が０．１μm以下であったので、光学素子４６単体に発生している歪みは０．１μm以下であったことが分かった。ここで、圧電素子４７の周波数が低いことから、光学素子全体において一様に微少な歪みが分布していると判断される。
【００４２】
また、光学素子４６に発生している振動周波数が５０kHz付近の場合、図４の鎖線で示すように、光学素子４６に発生する振動は片側がフレーム４８に支持された固定端の振動モードＭになる。したがって、光学素子４６で発生している振動の節点ＮＰは、光学素子４６とフレーム４８との接点のみに存在する。
【００４３】
光学素子４６内を伝搬する振動の速度（Ｖ）は材料の物性値から室温で概略６０００ｍ／ｓとして求まり、光学素子４６を往復する時間は５μsになる。つまり、光学素子４６の共振周波数は２００kHzとなり、圧電素子４７の周波数５０kHzより高くなる。したがって、振動を付与し続ける限り光学素子４６には常に微少な歪みが均一に発生する。
【００４４】
以上のことから、光学素子４６内のいずれの位置に光を透過させても光の偏光の変調が同じになる。
【００４５】
次に、上記光弾性変調器４５を備えた、光弾性測定装置について説明する。
【００４６】
図５は、光弾性測定装置の概略構成を示す図である。
【００４７】
この実施例装置は、液晶パネルやプラズマディスプレイのように２枚の透過性を有するガラス基板Ｗ１，Ｗ２を、微小間隔をおいて重ね合わせた測定対象物Ｗと、中央に開口Ｈの形成された載置台８に平面保持した測定対象物Ｗに向けて光を照射する光源１とが配備されている。当該光源１から測定対照物Ｗまでの光路上に第1偏光検出部３、偏光板４０、直線偏光板４１、λ／２波長板４２、第３偏光ビームスプリッタ４３、λ／４波長板４４、光学系ユニット５、および対物レンズ６を備えて前後に移動する可動台７が配備されている。また、第３偏光ビームスプリッタ４３で分岐された光を初期光路とは別光路に向うその光路上にレンズ９ａ、ピンホール１６、第２フトダイオード９ｂが配備されている。以下、各構成について具体的に説明する。
【００４８】
光源１は、所定の中心周長の光を発生させる。例えば、本実施例の場合、中心周長が６３５ｎｍの半導体レーザが利用される。この光源１は、出力されるレーザ光が水平偏光成分からなるように設置され、この光は第１偏光検出部３を構成する第１偏光ビームスプリッタ１０に向う。なお、光源１は、本発明の照射手段に相当する。
【００４９】
第１偏光ビームスプリッタ１０は、水平成分のみを透過させる極性を有する。本実施例の場合、光源１からの全ての光を直進方向に透過させて偏光板４０に向せる。
【００５０】
偏光板４０は、Faraday Rotatorであり、第１偏光ビームスプリッタ１０からの水平偏光を４５°回転させる。この偏光を直線偏光板４１に向せる。また、測定対象物Ｗから反射して戻る反射光を４５°更に回転し、この光学系では反射光の成分を垂直偏光成分のみに変換する。その結果反射光の全光量が、第１偏光ビームスプリッタ１０を直進透過せず、初期光と直交する第１フォトダイオード２１に向かうようになる。
【００５１】
直線偏光板４１は、往復透過する初期光と反射光を直線偏光にする。
【００５２】
λ／２波長板４２は、直線偏光板４１から入射する４５°の直線偏光を透過させる過程で、さらに４５°戻し、元の水平成分である直線偏光に戻して第３偏光ビームスプリッタ４３に向かわせる。なお、反射光についても４５°戻し、このλ／２波長板４２および下流側のFaraday Rotator４０との協働により偏光方向を９０°回転させ第１偏光ビームスプリッタ１０への反射光を垂直成分のみにする。つまり、全光量の反射光にする。
【００５３】
第３偏光ビームスプリッタ４３は、初期光路および下流側のＢＤＰ１２で分離出力される２つの直線偏光の光路にまたがって配備されている。また、第３偏光ビームスプリッタ４３は、極性を有し、水平成分の直線偏光を直進させ、垂直成分は直交する方向に向かわせる。つまり、λ／２波長板４２からの直線偏光は全て透過させ下流側のλ／４波長板４４に向かわせ、反射光のうち測定対象物Ｗを透過する過程で応力の影響を受けて発生した水平成分は、初期光路と直交する方向に向かわせる。つまり、第２フォトダイオード９ｂに向かわせる。
【００５４】
λ／４波長板４４は、初期光路および下流側のＢＤＰ１２で分離出力される２つの直線偏光の光路にまたがって配備されている。つまり、第３偏光ビームスプリッタ４３から到達する直線偏光を透過させ、さらに４５°傾かせ、円偏光にする。また、測定対象物Ｗから反射し、ＢＤＰで分離されて上流側のλ／４波長板１３を透過して戻る２つの第１および第２の垂直、水平偏光Ａ、Ｂの両方とも、さらに４５°回転させて円偏光から各々水平、垂直偏光に戻す。つまり、測定対象物Ｗのガラス基板Ｗ１やＷ２に応力が作用している場合、光弾性により、入射の偏光成分から異なる偏光成分を生じ、この結果生じた楕円偏光を通過させて、複屈折の変化量を含む直線偏光に変換する。なお、λ／４波長板４４は、本発明の第１光学手段に相当する。
【００５５】
光学系ユニット５は、光源１の側から順にλ／４波長板１３、ＢＤＰ１２、および光弾性変調器４５から構成されている。
【００５６】
λ／４波長板１３は、初期光路および下流側のＢＤＰ１２で分離出力される２つの直線偏光の光路にまたがって配備されている。つまり、上流側からの円偏光を透過させ、さらに４５°回転させて直線偏光に戻す。また、測定対象物Ｗからの反射光である楕円偏光をＢＤＰ１２で水平、垂直成分に分離し、λ／４波長板４４の内部に通過させることにより、各々をさらに４５°傾け、円偏光にする。
【００５７】
ＢＤＰ１２は、到達した直線偏光を全透過させて下流側の光弾性変調器４５に向かわせる。また、測定対象物Ｗから反射して戻る偏光を透過させたとき、入射時と同じ偏光面を有する直線偏光（垂直成分である第１偏光Ａ）を同一光路に戻し、測定対象物Ｗを透過する過程で測定対象物Ｗに作用している応力の影響を受けて偏光状態が変化した成分（水平成分の第２偏光Ｂ）のみを抽出し、第１偏光Ａとは異なる方向に出力する。つまり、第１偏光Ａおよび第２偏光Ｂは、ＢＤＰ１２の同じ面の異なる位置から出力される。なお、ＢＤＰ１２は、本発明の分離手段に相当する。
【００５８】
光弾性変調器４５は、上記実施例で詳述したものであって、図１に示すように、円盤状の光学素子４６の一端に圧電素子４７が、当該圧電素子４７と対向する多端がフレーム４８と接触して支持されたものである。すなわち、この光弾性変調器４５は、測定対象物Ｗに向う直線偏光に変調をかけて楕円偏光にするとともに、測定対象物Ｗから反射し、測定対象物Ｗに作用している応力の影響で楕円偏光の向きが、光軸回りに微少に回転した楕円偏光をそのまま全透過させる。
【００５９】
なお、光弾性変調器４５は、光学素子４６に応じて予め決まった複屈折の変化量を有するので、第２偏光検出部９で検出される第２偏光Ｂの光強度の検出信号Ｉｓの値を大きくする。つまり、光弾性変調器４５は、本発明の第２光学手段として機能する。
【００６０】
載置台８は、矩形状の測定対象物Ｗの端縁部分を保持しつつ、中央部分では光を通過させるように開口Ｈが形成されている。
【００６１】
第２偏光検出部９は、レンズ９ａ、ピンホール１５の形成された板状物１６、第２フォトダイオード９ｂから構成されている。つまり、第３偏光ビームスプリッタ４３で光路の変更された垂直成分の第２偏光Ｂがレンズ９ａで集光され、ピンホール１５により焦点から反射して戻る偏光のみが抽出される。この偏光は、第２フォトダイオード９ｂで受光され、光強度の検出信号Ｉｓに変換されて制御ユニット２３に送信される。なお、第２偏光検出部９は、本発明の第１検出手段に相当する。
【００６２】
第１偏光検出部３は、第１偏光ビームスプリッタ１０、第２非偏光ビームスプリッタ１７Ａ、ピンホール１９の形成された板状物２０、および第２フォトダイオード２１から構成されている。なお、第１偏光検出部３は、本発明の第２検出手段に相当する。
【００６３】
第２非偏光ビームスプリッタ１７Ａは、光を直進方向と直交方向に２分する。つまり、第１偏光ビームスプリッタ１０から到達した光を分岐する。各々の光を第１偏フォトダイオード２１と平行度検出器２２に向かわせる。
【００６４】
第１フォトダイオード２１は、ピンホール１９を通過した第１偏光Ａを受光して、光強度の検出信号Ｉｒに変換して制御ユニット２３に送信する。
【００６５】
平行度検出部２２は、載置台８に保持された測定対象物Ｗの撓みや反りの発生状態を検出する。図６に示すように、平行度検出部２２は、４個のフォトダイオード２２ａ〜２２ｄが２次元アレー状に隣接配備されており、第２非偏光ビームスプリッタ１７から到達する直線偏光の光軸が互いに隣接し合う中心点Ｃに位置し、４個のフォトダイオード２２ａ〜２２ｄにまたがって均等に受光されるようになっている。各フォトダイオード２２ａ〜２２ｄで受光した直線偏光を光強度の検出信号に変換して制御ユニット２３に送信する。つまり、平行度検出部２２は、反射光の光路のズレを検出している。なお、平行度検出部２２は、本発明の検出手段に相当する。
【００６６】
制御ユニット２３は、演算処理部２４、駆動制御部２５、および操作部２６などを含む。以下、各構成について具体的に説明する。
【００６７】
演算処理部２４は、主として２通りの処理を行っている。第１の処理として、載置台８に保持された測定対象物Ｗの反りなどの影響によって、焦点面から反射して戻る偏光が、第１および第２偏光検出部９、３の両フォトダイオード９ｂ、２１で受光されるように光路のズレの補正量を算出する。第２の処理として、測定対象物Ｗの所定のガラス基板Ｗ１またはＷ２に作用している応力によって発生する複屈折の変化量、光弾性係数、およびガラス基板の厚みのうちの未知パラメータ、並びに所定のガラス基板に作用する主応力の差とその方向を求める。これら具体的な処理については、動作説明で詳述する。なお、演算処理部２４は、本発明の演算手段に相当する。
【００６８】
駆動制御部２５は、操作部２６によって設定された条件に基づく駆動信号を回転駆動機構２７やアクチュエータ２８に送信する。つまり、回転駆動機構２７が、光源１からの初期光の光軸回りに光学系ユニット５を所定の回転角度に回転移動するように制御する。また、載置台８をＸＹ平面上でチルトさせる。なお、駆動機構２６は、本発明の回転手段に、アクチュエータ２８は駆動手段にそれぞれ相当する。
【００６９】
これら各構成を含む制御ユニット２３は、上記の処理以外に初期の設定条件に基づいて各駆動機構などの動作を制御する。
【００７０】
次に、上記実施例装置を用いて、測定対象物Ｗの各ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用する主応力の差と主応力の差の作用している方向を測定する一巡の動作および処理について、図７に示すフローチャートに沿って説明する。なお、測定対象物Ｗを構成するガラス基板Ｗ１，Ｗ２の両方に応力が作用している場合を例にとって説明する。
【００７１】
オペレータは、操作部２６を操作して測定対象物Ｗの総厚み、光学系ユニット５の回転角と測定回数などの測定条件を設定入力する（ステップＳ１）。なお、この実施例の場合、回転角は、基準０°、４５°、９０°の３箇所で測定対対象物Ｗの各ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用する主応力の差とその方向の測定を行うように設定する。
【００７２】
条件設定が完了すると、載置台８に測定対象物Ｗが載置保持されるとともに、各駆動機構が作動制御されて測定開始できる状態となる。この時点で可動台７が作動し、対物レンズ６による焦点位置が、測定対象物Ｗの最表面に合せられる。これら測定条件が整うと、オペレータは、テスト照射をする（ステップＳ２）。このとき、光源１から測定対象物Ｗに向けて直線偏光が照射され、反射して戻る第１偏光Ａを平行度検出器２２で受光し、フォトダイオード２２ａ−２２ｄごとの光強度の検出信号を制御ユニット２３の演算処理部２４に送信する。
【００７３】
演算処理部２４は、フォトダイオード２２ａ−２２ｄごとの光強度値と平均値から光源１から測定対象物Ｗまでの光路のズレの有無を判断する（ステップＳ３）。光路のズレがあることが確認できた場合、演算処理部２４は、測定対象物Ｗの反りなどの影響で起こる煽りを補正するための補正量を求めて信号変換する（ステップＳ４）。この補正信号に基づいて、駆動制御部２５は、アクチュエータ２８を作動させて載置台８をチルトさせ、反射光が平行度検出器２２の各フォトダイオード２２ａ−２２ｄに均等に照射させるようにする（ステップＳ５）。
【００７４】
光路ズレの煽り補正処理が完了すると、再度テスト照射を行う。この時点で光路ズレが解消されていれば、所定の設定角度での１回目の第１測定を開始する（ステップＳ６）。光路ズレが解消されていなければ、ステップＳ２からの煽り補正処理が繰り返し行われる。
【００７５】
第１測定では、光学系ユニット５をＸ，Ｙ軸の基準０°に位置合せされた状態で測定を開始する。光源１から出力された水平成分のレーザ光は、第１偏光ビームスプリッタ１０Ａを全透過し、偏光板４０に到達する。この偏光板４０を透過するとき、光は偏光面が４５°回転し、直線偏光板４１に向う。
【００７６】
直線偏光板４１を透過する光は、４５度の直線偏光となり、λ／２波長板４２に向う。λ／２波長板４２を透過するとき、直線偏光の偏光面が、４５°戻されて元の水平成分の直線偏光に戻される。
【００７７】
この直線偏光は、第３偏光ビームスプリッタ４３を全透過し、次のλ／４波長板４４を透過する過程で４５°傾き、円偏光にされる。
【００７８】
この円偏光は、光学系ユニット５のλ／４波長板１３を透過する過程で、垂直成分になり、ＢＤＰ１２をそのまま全透過して光弾性変調器４５を透過する。このとき、垂直成分からなる直線偏光が楕円偏光に変えられて対物レンズ６で集光され、所定の層の焦点面に到達する。
【００７９】
この光を照射しながら測定対象物Ｗの厚みを屈折量で割った量に相当する距離分だけ可動台７を前進させ、ガラス基板Ｗ１，Ｗ２の各表裏面で反射して戻る第１偏光Ａと第２偏光Ｂを第１および第２フォトダイオード９ｂ、２１で受光する。これら各光強度の変化をリアルタイムに検出信号Ｉｓ，Ｉｒに変換して演算処理部２４に送信する。
【００８０】
このとき、ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に応力が作用している場合、各焦点面で反射して戻る反射光に第２偏光Ｂが含まれている。つまり、図８に示すように、ガラス基板１の表面と空気層との接触界面（焦点面Ｐ１）で反射して戻る反射光Ｒ１、ガラス基板Ｗ１とガラス基板Ｗ２との微小間隙の空気層とガラス基板Ｗ１の裏面との接触界面（焦点面Ｐ２）で反射して戻る反射光Ｒ２、空気層とガラス基板Ｗ２の表面との接触界面（焦点面Ｐ３）で反射して戻る反射光Ｒ３、およびガラス基板Ｗ２と載置台８との接触界面（焦点面Ｐ４）で反射して戻る反射光Ｒ４のそれぞれに、第２偏光Ｂの光強度の検出信号Ｉｓの成分が含まれている。
【００８１】
各焦点面Ｐ１〜Ｐ４で反射して戻る反射光は、初期光と同一光路に戻される。反射光は、応力の作用している層を透過して所定の焦点面で反射して戻るとき、光弾性により入射光とは別の偏光成分として戻される。この反射光は、対物レンズ６、光弾性変調器４５をそのまま透過し、ＢＤＰ１２を透過する。このとき、初期光路を戻る垂直成分の第１偏光Ａと、偏光面に変化の生じた水平成分からなる第２偏光Ｂとに分離される。第１偏光Ａは、初期光路を戻り、第２偏光Ｂは、別光路に出力される。
【００８２】
第１偏光Ａは、垂直成分からなり、初期光路のλ／４波長板１３で円偏光にされ、その後のλ／４波長板４４で水平成分になって、第3偏光ビームスプリッタ４３を全量が透過する。さらに、この第１偏光Ａは、λ／２波長板４２、直線偏光板４１を全透過し、４５°の直線偏光になり、Faraday Rotator４０を透過するときに４５°回転して垂直成分のみになり全反射して第１偏光ビームスプリッタ３に向う。
【００８３】
第１偏光ビームスプリッタ３に到達した第１偏光Ａは、初期の水平成分の光と直交する第１フォトダイオード２１の方向に全反射され、第２非偏光ビームスプリッタ１７Aに向う。この第２非偏光ビームスプリッタ１７Ａで第１フォトダイオード２１と平行度検出器２２に向う偏光に分岐される。これら第１フォトダイオード２１および平行度検出器２２で受光された各検出信号は、制御ユニット２３の演算処理部２４に送信される。
【００８４】
第２偏光Ｂは水平成分からなり、λ／４波長板１３を透過して４５°傾き、円偏光にされ、さらにλ／４波長板４４を透過して、さらに４５°傾き、垂直成分の偏光にされる。この第２偏光Ｂは、第３ビームスプリッタ４３で初期光路と直交する方向にある第２フォトダイオード９ｂに全量が向かわされる。この過程でピンホール１５によって焦点面から反射して戻る偏光のみが抽出され、第２フォトダイオード９ｂにより受光される。この光強度の検出信号Ｉｓが、制御ユニット２３の演算処理部２４に送信される。
【００８５】
ここで、第２フォトダイオード９ｂで受光された各焦点面Ｐ１〜Ｐ４から反射して戻る第２偏光Ｂの光強度は、図９に示すように、３つのピークとして現れる。
【００８６】
この実施例では焦点面Ｐ１〜Ｐ４の４箇所あるので４つのピークが発生するはずであるが、３つのピークとなって現れる。この現象は、空気層の前後のガラス面で反射する光で干渉が生じて光強度が高められ焦点面Ｐ２およびＰ３で反射して戻る反射光Ｒ２およびＲ３がこの光学系では、分離されて検出できず、合成されたものとなっていることが新たな知見として得られた。この図９で示す実線が、検出対象の光弾性信号であり、破線が測定対象物Ｗで反射して戻る反射光の信号である。
【００８７】
したがって、演算処理部２４は、まず、これら第１および第２フォトダイオード９ｂ、２１からの検出信号のうち焦点面Ｐ２、Ｐ３で反射して戻る合成された反射光に含まれる検出信号と焦点面Ｐ２で反射して戻る検出信号を抽出し、両検出信号Ｉｓの値を補正する。つまり、第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓを第１偏光Ａの検出信号Ｉｒで除算したＩｓ／Ｉｒで補正する（以降補正弾性信号と称する）。そして、この補正後の光強度値と測定時の光学系ユニット５の回転角の位置情報を関連付けして記憶しておく。
【００８８】
第１測定が終了すると、駆動制御部２５は、可動台７を測定開始位置に復帰さながら同時に光学系ユニット５を光軸回りに４５°回転させて第１測定と同じ処理の第２測定を行い（ステップＳ７）、さらに、第２測定が終了すれば、第３測定を継続して行う（ステップＳ８）。
【００８９】
第１測定〜第３測定が終了すると、演算処理部２４は、ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用している各主応力の差とその方向を求める（ステップＳ９）。具体的に、演算処理部２４は、記憶しておいた３つの回転角の光強度値と位置情報を、同じ焦点面ごとに一群のデータとして整理し、データ群ごとに光強度値をＸＹ平面上へのプロットし、このプロット状態から光学系ユニット５を１回転させたときに得られる補正弾性信号（これは、複屈折量と同じであるが、）とその時の回転角（θ）とから試料の複屈折量が０．０１radより小さいとき、[(φ/2)sin2(α-θ)+c]2のモデル（以下、単に「モデル」という）を最小２乗法により近似する。そして、得られる当該モデルから主応力の差（φ/2）とその向き(α)を求める。ここでｃは、偏光を透過させるレンズなど含む光学部材が有する複屈折量である。なお、以上で、測定対象物Ｗの各ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用している主応力の差（φ/2）とその方向(α)の測定が完了する。なお、試料の複屈折量は、０．０１radより小さい場合に限定されるものではなく、光弾性変調器の形状などに応じて適宜に変更される。
【００９０】
上述の構成を有する光弾性測定装置によれば、測定対象物Ｗのガラス基板Ｗ１の表面に焦点を合せ、測定対象物Ｗの層厚み分対物レンズ６を前進移動させ、各ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に対する焦点を変位させることにより、各焦点面Ｐ１〜Ｐ４から反射して戻る反射光のうち、ガラス基板Ｗ１，Ｗ２を透過する過程で両ガラス基板Ｗ１，Ｗ２に作用している応力の影響で偏光状態が変化して生じた垂直成分の第２偏光ＢのみをＢＤＰ１２で分離して取り出すことができる。このＢＤＰ１２で分離した第２偏光Ｂを、さらにピンホール１５を通過させることにより、ガラス基板Ｗ１の裏面（焦点面Ｐ２とガラス基板Ｗ２の表面（焦点面Ｐ３）から反射して戻るガラス基板Ｗ１の応力の影響を受けた第２偏光Ｂと、ガラス基板Ｗ２の裏面（焦点面Ｐ４）から反射して戻るガラス基板Ｗ２の応力の影響を受けた第２偏光Ｂのみを抽出することができる。換言すれば、共焦点光学系を利用することにより、任意のガラス基板（層）に作用している応力の影響を受けた第２偏光を測定できる。
【００９１】
そして、光学系ユニット５を光軸回りに回転させ、少なくとも３箇所の所定の回転角から同じ条件で取得した一群の第２偏光Ｂの光強度値を焦点面ごとに整理し、ＸＹ平面上へのプロットし、このプロット状態から光学系ユニット５を１回転させたときに得られる補正弾性信号とその回転角とからモデルを最小２乗法で近似する。すなわち、このモデルからその主応力の差（φ/2）とその方向（α）を特定することができる。
【００９２】
また、平行度検出器２２を利用することにより、測定光の光路ズレを補正することができ、第１偏光Ａおよび第２偏光Ｂを第１および第２フォトダイオード２１、９ｂで精度よく受光できる。
【００９３】
さらに、本実施例装置は、光源１に半導体レーザを利用し、かつ、光学系ユニット５に光弾性変調器４５を利用することにより、光学系ユニット５の構成部材を少なくして小型化ができる。したがって、光学系ユニット５を光軸回りに回転させる回転駆動機構２７を小型かつ低出力のものを利用することができる。
【００９４】
また、第１偏光検出部３に第１偏光ビームスプリッタ１０を利用することにより、光源１から出力されるレーザ光を全て測定対象物に向かわせることができる。また、測定対象物Ｗから反射して戻る反射光を、光源１側に戻すことなく、第1フォトダイオード２１で検出することができる。すなわち、出力された初期光と反射光の衝突による光源の不安定性を抑制し、主応力の差とその方向の測定を精度よく行うことができる。
【００９５】
さらに、光源１からの光は水平成分からなるので、第1偏光ビームスプリッタ１０に透過させることにより、光源１からの光を測定対象物Ｗに１００％入射させることができるとともに、測定対象物Ｗからの反射光を１００％利用することができる。その結果、検出精度を向上させることができる。
【００９６】
なお、本発明は上述した実施例に限らず、次のように変形実施することができる。
【００９７】
（１）上記実施例の光弾性変調器４５において、圧電素子４７自体に重量または錘などにより加重をかけ、圧電素子４７の慣性質量を重くするように構成していもよい。この構成によれば、光弾性変調器４５の共振周波数を光学素子４６の共振周波数よりも低い範囲で任意に調整することができる。
【００９８】
（２）上記実施例において、図１０に示すように、測定対象物Ｗからの反射光を光弾性変調器３０に入射させ、反射光の偏光成分の光強度を予め決めた周波数で変調する。変調後の周波数を参照信号としてロックインアンプ３１に入力するとともに、第２フォトダイオード９ｂからのだ２偏光Ｂの検出信号Ｉｓをロックインアンプ３１に入力する。このとき、第２偏光Ｂの検出信号Ｉｓから直流成分が除去され交流成分のみが抽出される。したがって複屈折の変化量の算出精度の向上を図ることができる。また、これは図５の弾性信号Ｉｓをロックインアンプに入力し、その出力を演算処理部２４に入れる方法でもよい。
【００９９】
例えば、上記実施例の前面ガラス基板Ｗ１の複屈折の変化量は試料の複屈折量が０．０１radより小さいとき、次式（１）で表わすことができる。
【０１００】
前面ガラス基板Ｗ１の複屈折の変化量＝K(ρ2 + ρφsin[2(α-θ)])    …  （１）
【０１０１】
ここで、ρは光弾性変調器４５の複屈折量で、微少な量、αは主応力差（φ/2）の方向、eは複屈折の方向と大きさを検出するためにガラス基板Ｗ１に対する回転角、φ/2はＷ１の複屈折量で２乗の項は無視できる程微少な値と仮定する。
【０１０２】
そして、反射光をロックインアンプ３１に通すと、前面ガラス基板の複屈折の変化量は、次式（２）で表すことができる。
【０１０３】
前面ガラスの複屈折量=Kρ0×φsin[2(α-θ)])    …  （２）
【０１０４】
ここで、光弾性変調器は、その複屈折量をρ0、その周波数をω0、時間tを導入して次式、ρ(t) =ρ0sin(ω0t) と表わされる。ロックインアンプを使用しているので、ρの２乗の項はロックインアンプから出力されない。一方、反射信号側Ｉｒは、弾性信号側の表記を用いると、Ir = Kと表わされる。
【０１０５】
したがって、補正弾性信号（=Ｉｓ／Ｉｒ）は、次式で表わせる。
【０１０６】
補正弾性信号 = ρ0×φsin[2(α-θ)])    
【０１０７】
実際の光学系では、上記の式にオフセットｃがついて、
補正弾性信号 = ρ0×φsin[2(α-θ)])  + c    …  （３）
と表わされる。
【０１０８】
ここで、ρ0は既知であるが、実際は既知の力で試料に引張力を付与したときの補正弾性信号の大きさとその引張力から得られる主応力差の関係を求める校正実験から算出される。
【０１０９】
すなわち、交流成分である複屈折の情報を含むfとaの信号成分のみが抽出される。以後、上述の実施例と同様に、抽出後の信号成分を回転角ごとに整理し、光強度値をＸＹ平面上にプロットし、このプロット状態から光学系ユニット５を１回転させたときに得られる補正弾性信号を最小２乗近法により式（３）で近似する。そして、その結果から主応力の差（φ/2）とその向き（α）を求める。この方法により、圧縮、引張りの区別を実験結果から行うことができる。また、対物レンズ６を回転系５に含めることにより、対物レンズ６の複屈折を無視することができる。
【０１１０】
（３）上記実施例装置および変形例装置は、光学系ユニット５を光軸回りに回転させていたが、載置台８を回転させる構成であってもよい。
【０１１１】
（４）上記各実施例では、２枚のガラス基板Ｗ１，Ｗ２を間隙おいて配備した測定対象物Ｗを利用したが、測定対象物Ｗはこの形態に限定されるものではなく、間隙をなくし複数枚の透過性を有する測定対象物を密着させて積層したものであってもよい。例えば、ガラス基板同士、ガラス基板とフィルムなどのように屈折率の異なる測定対象物の組合せなどがある。
【０１１２】
（５）上記各実施例では、測定対象物Ｗの平行度が保たれている場合には第２非偏光ビームスプリッタ１７および平行度検出器２２を省いた構成であってもよい。
【０１１３】
（６）上記各実施例では、中央に開口Ｈの形成された載置台８を利用したが、開口Ｈの形成されていない平坦な物で構成してもよい。
【０１１４】
（７）上記実施例１、２では、第２偏光Ｂが第２フォトダイオード９ｂで検出されるまでの光路上で、他の光学部材で反射または透過するときに生じる散乱などの検出対象以外の迷光を除去する遮光板をレンズ９ａの上流側に配備した構成にすることが好ましい。
【０１１５】
図１１に示すように、遮光板５２は、円盤上の板材の中心から径方向に離れた位置に円弧状の開口部５３が形成されており、測定対象の第２偏光Ｂがこの開口部５３を通過する。つまり、実施例装置は、ＢＤＰ１２の入射光と同一光路を通って戻る第１偏光Ａの光軸周りにＢＤＰ１２が回転する。この回転に伴って、ＢＤＰ１２の第１偏光Ａと同一面の離間した位置から出力される第２偏光Ｂは、第１偏光Ａ周りの円弧軌道を通ることになる。したがって、遮光板５２の開口部５３は、第２偏光Ｂの移動する軌道に沿って形成されている。上記実施例では、０〜９０°の範囲で光学系ユニット５を光軸回りに回転させているので、遮光板５２の開口部５３は、略半円弧状に形成されている。なお、回転角度が変更されれば、この開口部５３の円周も適宜に設定変更される。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】実施例に係る光弾性変調器を示す斜視図である。
【図２】光弾性変調器を示す平面図である。
【図３】図２に示す光弾性変調器のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図４】実施例に係る光弾性変調器の振動モードを示す図である。
【図５】実施例に係る光弾性測装置の概略構成を示す図である。
【図６】平行度検出部による偏光の受光状態を示す平面図である。
【図７】主応力の差とその方向を測定する一巡の処理および動作を示すフローチャートである。
【図８】測定対象物の各焦点面で反射する反射光の状態を示す図である。
【図９】第２偏光の光強度の検出状態を示す図である。
【図１０】変形例装置の構成を示す図である。
【図１１】遮光板の平面図である。
【図１２】従来の光弾性変調器を示す平面図である。
【図１３】従来の光弾性変調器の振動モードを示す図である。
【図１４】従来の光弾性変調器の振動モードを示す図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１  …  光源
３  …  第１偏光検部
５  …  光学系ユニット
６  …  対物レンズ
７  …  可動台
８  …  載置台
９  …  第２偏光検出部
１０  …  第１非偏光ビームスプリッタ
１２  …  ＢＤＰ
１３  …  λ／４波長板
１５、１９…ピンホール
２３  …  制御ユニット
２４  …  演算処理部
２７  …  駆動機構
２８  …  アクチュエータ
４０  …  偏光板
４１  …  直線偏光板
４２  …  λ／２波長板
４３  …  第３偏光ビームスプリッタ
４４  …  λ／４波長板
４５  …  光弾性変調器
４６  …  光学素子
４７  …  圧電素子
４８  …  フレーム
４９  …  信号発生器
５０  …  接着剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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