(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置において、
所与の波長の光を出射する光源と、少なくとも４個の光学素子と、前記少なくとも４個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光を受光する受光部と、を含む光学系と、
前記測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理部と、
を含み、
前記少なくとも４個の光学素子は、第１及び第２の偏光子、１／２波長板、及び、１／４波長板を含み、
前記光学系は、前記光源から出射された光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記１／４波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２の偏光子を介して前記受光部に入射させるように、かつ、
少なくとも、１／２波長板、１／４波長板、及び、前記第２の偏光子が、主軸方位を変更可能に構成されてなり、
前記第１の偏光子、前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位を、それぞれ、θ，θ１，θ２，θ３とすると、
前記光強度情報取得部では、
２θ１−θ＝θ２で、かつ、θ１，θ２，θ３の設定を変更した前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理部では、
前記測定対象の旋光角γを含む、前記少なくとも４個の光学素子の主軸方位を反映した前記光強度の理論式と、前記複数の測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の旋光角γを算出する演算処理を行う光学特性計測装置。
【請求項２】
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置において、
光学系に含まれる少なくとも４個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理部と、
を含み、
前記少なくとも４個の光学素子は、第１及び第２の偏光子、１／２波長板、及び、１／４波長板を含み、
前記測定光は、光源から出射された所与の波長の光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記１／４波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２の偏光子を介して受光部に入射させることによって得られる光であり、
前記第１の偏光子、前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位を、それぞれ、θ，θ１，θ２，θ３とすると、
前記光強度情報取得部では、
２θ１−θ＝θ２で、かつ、θ１，θ２，θ３の設定を変更した前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理部では、
前記測定対象の旋光角γを含む、前記少なくとも４個の光学素子の主軸方位を反映した前記光強度の理論式と、前記複数の測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の旋光角γを算出する演算処理を行う光学特性計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光学特性計測装置において、
前記測定光の光強度をＩとすると、
前記演算処理部では、
【数２】
0004639335.tif 000048
に基づいて前記演算処理を行う光学特性計測装置。
【請求項４】
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置において、
所与の波長の光を出射する光源と、少なくとも４個の光学素子と、前記少なくとも４個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光を受光する受光部と、を含む光学系と、
前記測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理部と、
を含み、
前記少なくとも４個の光学素子は、第１及び第２の偏光子、１／２波長板、及び、１／４波長板を含み、
前記光学系は、前記光源から出射された光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記１／４波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２の偏光子を介して前記受光部に入射させるように、かつ、
少なくとも、１／２波長板、１／４波長板、及び、前記第２の偏光子が、主軸方位を変更可能に構成されてなり、
前記第１の偏光子、前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位を、それぞれ、θ，θ１，θ２，θ３とし、
前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角を、それぞれ、Δ，φ，γとし、
前記光強度情報取得部で得られる光強度をＩとすると、
前記光強度情報取得部では、
θ２＝θ３で、かつ、θ１，θ２，θ３の設定を変更した前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理部では、
【数３】
0004639335.tif 000049
と、前記複数の測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差Δ、主軸方位φ、及び、旋光角γの少なくとも１つを算出する演算処理を行う光学特性計測装置。
【請求項５】
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置において、
光学系に含まれる少なくとも４個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理部と、
を含み、
前記少なくとも４個の光学素子は、第１及び第２の偏光子、１／２波長板、及び、１／４波長板を含み、
前記測定光は、光源から出射された所与の波長の光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記１／４波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２の偏光子を介して受光部に入射させることによって得られる光であり、
前記第１の偏光子、前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位を、それぞれ、θ，θ１，θ２，θ３とし、
前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角を、それぞれ、Δ，φ，γとし、
前記光強度情報取得部で得られる光強度をＩとすると、
前記光強度情報取得部では、
θ２＝θ３で、かつ、θ１，θ２，θ３の設定を変更した前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理部では、
【数３】
0004639335.tif 000050
と、前記複数の測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差Δ、主軸方位φ、及び、旋光角γの少なくとも１つを算出する演算処理を行う光学特性計測装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の光学特性計測装置において、
前記光学系は、前記光源と前記測定対象との間に配置されたビームエキスパンダーをさらに有する光学特性計測装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学特性計測装置において、
前記少なくとも４個の光学素子の少なくとも１つの主軸方位情報を検出する検出部をさらに含み、
前記演算処理部は、
前記検出部で検出された主軸方位情報を利用して、前記演算処理を行う光学特性計測装置。
【請求項８】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の光学特性計測装置において、
前記少なくとも４個の光学素子の少なくとも１つの主軸方位設定を変更するためのアクチュエータをさらに含む光学特性計測装置。
【請求項９】
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測方法において、
光学系に含まれる少なくとも４個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得手順と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理手順と、
を含み、
前記少なくとも４個の光学素子は、第１及び第２の偏光子、１／２波長板、及び、１／４波長板を含み、
前記測定光は、光源から出射された所与の波長の光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記１／４波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２の偏光子を介して受光部に入射させることによって得られる光であり、
前記第１の偏光子、前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位を、それぞれ、θ，θ１，θ２，θ３とすると、
前記光強度情報取得手順で、
２θ１−θ＝θ２で、かつ、θ１，θ２，θ３の設定を変更した前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理手順で、
前記測定対象の旋光角γを含む、前記少なくとも４個の光学素子の主軸方位を反映した前記光強度の理論式と、前記複数の測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の旋光角γを算出する演算処理を行う光学特性計測方法。
【請求項１０】
請求項９記載の光学特性計測方法において、
前記測定光の光強度をＩとすると、
前記演算処理手順で、
【数５】
0004639335.tif 000051
に基づいて前記演算処理を行う光学特性計測方法。
【請求項１１】
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測方法において、
光学系に含まれる少なくとも４個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得手順と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理手順と、
を含み、
前記少なくとも４個の光学素子は、第１及び第２の偏光子、１／２波長板、及び、１／４波長板を含み、
前記測定光は、光源から出射された所与の波長の光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記１／４波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２の偏光子を介して受光部に入射させることによって得られる光であり、
前記第１の偏光子、前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位を、それぞれ、θ，θ１，θ２，θ３とし、
前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角を、それぞれ、Δ，φ，γとし、
前記光強度情報取得部で得られる光強度をＩとすると、
前記光強度情報取得手順で、
θ２＝θ３で、かつ、θ１，θ２，θ３の設定を変更した前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理手順で、
【数６】
0004639335.tif 000052
と、前記複数の測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差Δ、主軸方位φ、及び、旋光角γの少なくとも１つを算出する演算処理を行う光学特性計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象の光学特性を計測する光特性計測装置、及び、光特性計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質の複屈折を検出する簡便な手法として、直交もしくは平行に設置した２枚の偏光子の間に試料を挟み、その明暗から複屈折を観察する偏光顕微鏡が知られている（特許文献１，２参照）。
【０００３】
また、偏光顕微鏡と同様に２枚の偏光子、又は、これに１／４波長板を加えた計測系で樹脂製品の応力状態を観察する光弾性計測がある（特許文献３参照）
さらに、複屈折を定量的かつ精度よく計測するために、回転検光子法、ヘテロダイン干渉法などの偏光計測が行われている（特許文献４，５参照）。
【特許文献１】特開２００５−３９９４号公報
【特許文献２】特開２００１−３５６２７６号公報
【特許文献３】特開平７−７７４９０号公報
【特許文献４】特開平１０−２６７８３１号公報
【特許文献５】特表２００２−５０４６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の技術は、それぞれ、次に挙げる課題を有している。
【０００５】
偏光顕微鏡から得られる画像は複屈折量を明暗でのみ表しているため、定量的な複屈折情報（複屈折位相差及び主軸方位）が得られないという課題がある。
【０００６】
また、光弾性による計測では複屈折位相差が180度以上ある試料を主な測定対象としている。そのため、微小な異方性をもつ試料の複屈折位相差及び主軸方位を計測することが困難であるという課題がある。
【０００７】
回転検光子法、ヘテロダイン干渉法などの偏光計測によると、微小な複屈折を高精度に計測することが可能である。しかし、この方法は、処理負荷が大きいため、試料内の複屈折分布を得ようとすると、計測ポイントが増え、計測に時間がかかるという課題があった。
【０００８】
本発明はこれらの課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、計測可能な測定対象の制限が少なく、測定対象の複屈折分布を定量的に検出することが可能で、特に、生体試料などの、広がりを有し、逐次的に状態変化が起こる試料を、面の状態で解析することに適した光学特性計測装置、及び、光学特性計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明に係る光学特性計測装置は、
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置であって、
所与の波長の光を出射する光源と、少なくとも４個の光学素子と、前記少なくとも４個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光を受光する受光部と、を含む光学系と、
前記測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理部と、
を含み、
前記少なくとも４個の光学素子は、第１及び第２の偏光子、１／２波長板、及び、１／４波長板を含み、
前記光学系は、前記光源から出射された光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記１／４波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２の偏光子を介して前記受光部に入射させるように、かつ、
少なくとも、１／２波長板、１／４波長板、及び、前記第２の偏光子が、主軸方位を変更可能に構成されてなり、
前記光強度情報取得部では、
前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位が異なる前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理部では、
前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを含む、前記少なくとも４個の光学素子の主軸方位を反映した前記光強度の理論式と、前記複数の測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを算出する演算処理を行う。
【００１０】
本発明で採用する光学系で得られる測定光の理論式には、測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つが含まれる。また、測定光の理論式は、光学素子の主軸方位を反映した（含んだ）式となる。
【００１１】
そして、本発明では、光学素子の主軸方位が異なる光学系で得られる複数の測定光の光強度情報を取得する。例えば、本発明では、第１〜第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の、Ｍ個の測定光の光強度情報を取得してもよい。このとき、Ｍ個の測定光は、光学素子の主軸方位が、第１〜第Ｍの条件に設定された光学系によって得られる測定光である。そして、第１〜第Ｍの条件は、それぞれ、１／２波長板、１／４波長板、及び、第２の偏光子の主軸方位の少なくとも１つが異なっている。なお、第１の偏光子の主軸方位は、固定されていてもよく、それぞれの条件で異なっていてもよい。
【００１２】
測定光の理論式に、１つの光強度情報と、対応する１つの主軸方位情報とを代入することによって、試料の光学特性の関係を表す関係式を、１つ導出することができる。そのため、測定光の理論式に、Ｍ個の光強度情報と、対応するＭ個の主軸方位情報とを代入することによって、光学特性の関係を表す関係式をＭ個導出することができる。そして、Ｍ個の関係式を解くことによって、試料の光学特性を算出することが可能になる。
【００１３】
本発明によると、従来の方法に較べて、解析に必要なデータの数を少なくすることができる。そのため、短時間で必要なデータを取得することができ、かつ、解析に要する時間も短くなる。すなわち、本発明によると、短時間で演算処理が可能な光学特性計測装置を提供することができる。
【００１４】
また、本発明によると、従来の装置に較べて、解析処理に必要な演算数が少なくなる。すなわち、計算機の演算負荷を小さくすることができる。そのため、複数のスポットを並行して処理した場合でも、その解析を短時間で終わらせることができる。すなわち、本発明によると、広がりを有する試料の計測に適した光学特性計測装置を提供することができる。
【００１５】
これらのことから、本発明によると、広がりを有する試料の変化の様子を、リアルタイムに計測することが可能な光学特性計測装置を提供することができる。すなわち、この光学特性計測装置は、特に、生体試料などの、広がりを有し、かつ、逐次的に状態変化が起こる試料の解析に適しているといえる。
【００１６】
（２）本発明に係る光学特性計測装置は、
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置であって、
光学系に含まれる少なくとも４個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得部と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理部と、
を含み、
前記少なくとも４個の光学素子は、第１及び第２の偏光子、１／２波長板、及び、１／４波長板を含み、
前記測定光は、光源から出射された所与の波長の光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記１／４波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２の偏光子を介して受光部に入射させることによって得られる光であり、
前記光強度情報取得部では、
前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位が異なる前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理部では、
前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを含む、前記少なくとも４個の光学素子の主軸方位を反映した前記光強度の理論式と、前記複数の測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを算出する演算処理を行う。
【００１７】
本発明によると、広がりを有する試料の変化の様子を、リアルタイムに計測することが可能な光学特性計測装置を提供することができる。
【００１８】
（３）この光学特性計測装置において、
前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位を、それぞれ、θ１，θ２，θ３とすると、
前記光強度情報取得部では、θ２＝θ３で、かつ、θ１，θ２，θ３が異なる前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理部では、前記測定対象の複屈折位相差Δ及び主軸方位φの少なくとも一方を算出する演算処理を行ってもよい。
【００１９】
（４）この光学特性計測装置において、
前記測定光の光強度をＩとし、前記第１の偏光子の主軸方位をθとすると、
前記演算処理部では、
【数１】
0004639335.tif 000002
に基づいて前記演算処理を行ってもよい。
【００２０】
この光学特性計測装置によると、演算処理負荷をさらに小さくすることができる。すなわち、演算処理時間がさらに短く、リアルタイムな計測が可能な光学特性計測装置を提供することができる。
【００２１】
（５）この光学特性計測装置において、
前記第１の偏光子、前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位を、それぞれ、θ，θ１，θ２，θ３とすると、
前記光強度情報取得部では、２θ１−θ＝θ２で、かつ、θ１，θ２，θ３が異なる前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理部では、前記測定対象の旋光角γを算出する演算処理を行ってもよい。
【００２２】
（６）この光学特性計測装置において、
前記測定光の光強度をＩとすると、
前記演算処理部では、
【数２】
0004639335.tif 000003
に基づいて前記演算処理を行ってもよい。
【００２３】
この光学特性計測装置によると、演算処理負荷をさらに小さくすることができる。すなわち、演算処理時間がさらに短く、リアルタイムな計測が可能な光学特性計測装置を提供することができる。
【００２４】
（７）この光学特性計測装置において、
前記第１の偏光子、前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位を、それぞれ、θ，θ１，θ２，θ３とし、
前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角を、それぞれ、Δ，φ，γとし、
前記光強度情報取得部で得られる光強度をＩとすると、
前記光強度情報取得部では、θ２＝θ３で、かつ、θ１，θ２，θ３が異なる前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理部では、
【数３】
0004639335.tif 000004
に基づいて、前記測定対象の複屈折位相差Δ、主軸方位φ、及び、旋光角γの少なくとも１つを算出する演算処理を行ってもよい。
【００２５】
この光学特性計測装置によると、演算処理負荷をさらに小さくすることができる。すなわち、演算処理時間がさらに短く、リアルタイムな計測が可能な光学特性計測装置を提供することができる。
【００２６】
（８）この光学特性計測装置において、
前記光強度情報取得部では、２θ１＝θ２＝θ３である前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得してもよい。
【００２７】
（９）この光学特性計測装置において、
前記光学系は、前記光源と前記測定対象との間に配置されたビームエキスパンダーをさらに有してもよい。
【００２８】
（１０）この光学特性計測装置において、
前記少なくとも４個の光学素子の少なくとも１つの主軸方位情報を検出する検出部をさらに含み、
前記演算処理部は、
前記検出部で検出された主軸方位情報を利用して、前記演算処理を行ってもよい。
【００２９】
（１１）この光学特性計測装置において、
前記少なくとも４個の光学素子の少なくとも１つの主軸方位設定を変更するためのアクチュエータをさらに含んでもよい。
【００３０】
（１２）本発明に係る光学特性計測方法は、
測定対象の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、
光学系に含まれる少なくとも４個の光学素子及び前記測定対象によって変調された測定光の光強度情報を取得する光強度情報取得手順と、
前記測定光の光強度の理論式と、前記測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを算出する演算処理を行う演算処理手順と、
を含み、
前記少なくとも４個の光学素子は、第１及び第２の偏光子、１／２波長板、及び、１／４波長板を含み、
前記測定光は、光源から出射された所与の波長の光を、前記第１の偏光子、前記１／２波長板、及び、前記１／４波長板を介して前記測定対象に入射させ、前記測定対象によって変調された前記光を、前記第２の偏光子を介して受光部に入射させることによって得られる光であり、
前記光強度情報取得手順で、
前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位が異なる前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理手順で、
前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを含む、前記少なくとも４個の光学素子の主軸方位を反映した前記光強度の理論式と、前記複数の測定光の光強度情報とに基づいて、前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つを算出する演算処理を行う。
【００３１】
本発明で採用する光学特性計測方法で解析に利用する測定光の理論式には、測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角の少なくとも１つが含まれる。また、測定光の理論式は、光学素子の主軸方位を反映した（含んだ）式となる。
【００３２】
そして、本発明では、光学素子の主軸方位が異なる光学系で得られる複数の測定光の光強度情報を利用する。例えば、本発明では、第１〜第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の、Ｍ個の測定光の光強度情報を利用してもよい。このとき、Ｍ個の測定光は、光学素子の主軸方位が、第１〜第Ｍの条件に設定された光学系によって得られる測定光である。そして、第１〜第Ｍの条件は、それぞれ、１／２波長板、１／４波長板、及び、第２の偏光子の主軸方位の少なくとも１つが異なっている。なお、第１の偏光子の主軸方位は、固定されていてもよい。
【００３３】
測定光の理論式に、１つの光強度情報と、対応する１つの主軸方位情報とを代入することによって、試料の光学特性の関係を表す関係式を、１つ導出することができる。そのため、測定光の理論式に、Ｍ個の光強度情報と、対応するＭ個の主軸方位情報とを代入することによって、光学特性の関係を表す関係式をＭ個導出することができる。そして、Ｍ個の関係式を解くことによって、試料の光学特性を算出することが可能になる。
【００３４】
本発明によると、従来の方法に較べて、解析に必要なデータの数を少なくすることができる。そのため、短時間で必要なデータを取得することができ、かつ、解析に要する時間も短くなる。すなわち、本発明によると、短時間で演算処理が可能な光学特性計測方法を提供することができる。
【００３５】
また、本発明によると、従来の装置に較べて、解析処理に必要な演算数が少なくなる。すなわち、計算機の演算負荷を小さくすることができる。そのため、複数のスポットを並行して処理した場合でも、その解析を短時間で終わらせることができる。すなわち、本発明によると、広がりを有する試料の計測に適した光学特性計測方法を提供することができる。
【００３６】
これらのことから、本発明によると、広がりを有する試料の変化の様子を、リアルタイムに計測することが可能な光学特性計測方法を提供することができる。すなわち、この光学特性計測方法は、特に、生体試料などの、広がりを有し、かつ、逐次的に状態変化が起こる試料の解析に適しているといえる。
【００３７】
（１３）この光学特性計測方法において、
前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位を、それぞれ、θ１，θ２，θ３とすると、
前記光強度情報取得手順で、θ２＝θ３で、かつ、θ１，θ２，θ３が異なる前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理手順で、前記測定対象の複屈折位相差Δ及び主軸方位φの少なくとも一方を算出する演算処理を行ってもよい。
【００３８】
（１４）この光学特性計測方法において、
前記測定光の光強度をＩとし、前記第１の偏光子の主軸方位をθとすると、
前記演算処理手順で、
【数４】
0004639335.tif 000005
に基づいて前記演算処理を行ってもよい。
【００３９】
この光学特性計測方法によると、演算処理負荷をさらに小さくすることができる。すなわち、演算処理時間がさらに短く、リアルタイムな計測が可能な光学特性計測方法を提供することができる。
【００４０】
（１５）この光学特性計測方法において、
前記第１の偏光子、前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位を、それぞれ、θ，θ１，θ２，θ３とすると、
前記光強度情報取得手順で、２θ１−θ＝θ２で、かつ、θ１，θ２，θ３が異なる前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理手順で、前記測定対象の旋光角γを算出する演算処理を行ってもよい。
【００４１】
（１６）この光学特性計測方法において、
前記測定光の光強度をＩとすると、
前記演算処理手順で、
【数５】
0004639335.tif 000006
に基づいて前記演算処理を行ってもよい。
【００４２】
この光学特性計測方法によると、演算処理負荷をさらに小さくすることができる。すなわち、演算処理時間がさらに短く、リアルタイムな計測が可能な光学特性計測方法を提供することができる。
【００４３】
（１７）この光学特性計測方法において、
前記第１の偏光子、前記１／２波長板、前記１／４波長板、及び、前記第２の偏光子の主軸方位を、それぞれ、θ，θ１，θ２，θ３とし、
前記測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角を、それぞれ、Δ，φ，γとし、
前記光強度情報取得部で得られる光強度をＩとすると、
前記光強度情報取得手順で、θ２＝θ３で、かつ、θ１，θ２，θ３が異なる前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得し、
前記演算処理手順で、
【数６】
0004639335.tif 000007
に基づいて、前記測定対象の複屈折位相差Δ、主軸方位φ、及び、旋光角γの少なくとも１つを算出する演算処理を行ってもよい。
【００４４】
この光学特性計測方法によると、演算処理負荷をさらに小さくすることができる。すなわち、演算処理時間がさらに短く、リアルタイムな計測が可能な光学特性計測方法を提供することができる。
【００４５】
（１８）この光学特性計測方法において、
前記光強度情報取得手順で、２θ１＝θ２＝θ３である前記光学系で得られる複数の前記測定光の前記光強度情報を取得してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
【００４７】
本発明の実施の形態に係る計測装置（光学特性計測装置）は、測定対象の光学特性を計測するものである。
【００４８】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を適用した第１の実施の形態に係る計測装置（光学特性計測装置）として、測定対象である試料１００の複屈折位相差及び主軸方位を計測することが可能な計測装置１について説明する。
【００４９】
（１）装置構成
図１（Ａ）〜図２は、計測装置１の装置構成を説明するための図である。なお、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）は計測装置１の模式図であり、図２は計測装置１のブロック図である。
【００５０】
本実施の形態に係る計測装置１は、測定対象である試料１００の光学特性を計測するものである。計測装置１は、光学系１０と、光強度情報取得部４０と、演算処理部５０とを含む。光強度情報取得部４０では、光学系１０に含まれる光学素子及び試料１００によって変調された測定光の光強度情報を取得する。演算処理部５０では、測定光の光強度の理論式と、測定光の光強度情報とに基づいて、試料１００の光学特性（複屈折位相差及び主軸方位）を算出する演算処理を行う。なお、試料１００は、光を透過させる物質であってもよく、光を反射させる物質であってもよい。
【００５１】
以下、計測装置１の装置構成について説明する。
【００５２】
１−１：光学系１０
光学系１０は、光源１２と受光部１４とを含む。光学系１０は、また、光源１２と受光部１４とを結ぶ光路Ｌ上に設けられた、偏光子２２、１／２波長板２４、１／４波長板２６、検光子２８を含む。これらの光学素子は、光源１２から出射された光を、偏光子２２、１／２波長板２４、及び、１／４波長板２６を介して試料１００に入射させ、試料１００によって変調された光を、検光子２８を介して受光部１４に入射させるように構成されてなる。以下、それぞれについて説明する。
【００５３】
光源１２は、所与の波長（波数）の光を出射する。すなわち、光源１２は、単色光を出射する発光装置であるといえる。光源１２として、レーザーやＳＬＤなどを利用してもよい。なお、光源１２は、出射する光の波長（波数）を変更することが可能な構成をなしていてもよい。
【００５４】
偏光子２２は、検光子２８と対になり、光源１２から出射された光を直線偏光とする入射側の偏光子である。
【００５５】
１／２波長板２４は、直線偏光の振動方向を変える光学素子である。すなわち、１／２波長板２４によると、光源（偏光子２２）を回転させることなく偏光面を回転させることができる。
【００５６】
１／４波長板２６は、直線偏光を円偏光（楕円偏光）に変える光学素子である。
【００５７】
光学系１０では、偏光子２２、１／２波長板２４、及び、１／４波長板２６は、位相変調素子２５を構成していてもよい。位相変調素子２５によって、光源１２から出射された光は、図１（Ｂ）に示すように偏光状態が変化する。
【００５８】
また、光学系１０では、１／２波長板２４及び１／４波長板２６は、その主軸方位を変更することが可能に構成されてなる。すなわち、１／２波長板２４及び１／４波長板２６は、回転可能に構成されていてもよい。そして、光学系１０では、偏光子２２から出射された直線偏光は、１／２波長板２４及び１／４波長板２６の回転角によって、任意に位相変調を行う。なお、光学系１０では、偏光子２２も、回転可能に構成されていてもよい。
【００５９】
検光子２８は、試料１００によって変調された光を直線偏光とする出射側の偏光子である。検光子２８は、偏光子２２と対になる偏光子といえる。すなわち、偏光子２２を第１の偏光子と、検光子２８を第２の偏光子と、それぞれ称してもよい。光学系１０では、検光子２８は、その主軸方位を変更することが可能に構成されてなる。すなわち、検光子２８は、回転可能に構成されていてもよい。
【００６０】
受光部１４は、測定光を受光する。光強度情報取得部４０では、受光部１４に入射する測定光の光強度情報を取得する。受光部１４は、複数の受光素子１５を含んでいてもよい。複数の受光素子１５は、図３に示すように、平面的に（二次元的に）配列されていてもよい。このとき、複数の受光素子１５は、受光面を構成していてもよい。そして、光強度情報取得部４０では、受光素子１５毎に、入射した測定光の光強度情報を取得してもよい。受光部１４として、例えば、ＣＣＤを利用してもよい。
【００６１】
光学系１０は、図１（Ａ）及び図２に示すように、光源１２から出射された光を、偏光子２２、１／２波長板２４、１／４波長板２６を介して試料１００に入射させ、試料１００によって変調された光を、検光子２８を介して受光部１４に入射させるように構成されている。
【００６２】
光学系１０は、図１（Ａ）に示すように、ビームエキスパンダー１６を含んでいてもよい。ビームエキスパンダー１６は、ビーム径を大きくするための光学素子（装置）である。ビームエキスパンダー１６は、光源１２と試料１００との間に配置される。すなわち、ビームエキスパンダー１６は、光路Ｌにおける試料１００よりも上流側に配置される。これにより、試料１００の広範囲に光を照射することができる。そして、ビームエキスパンダー１６と対応して、受光素子１５が二次元的に配列された受光部１４を利用することで、試料１００の広範囲にわたり、光学特性を計測することが可能になる。すなわち、広がりを有する試料１００に対して、効率よく光特性計測を行うことができる。言い換えると、試料１００を、広がりを有する「面」として解析することが可能になる。ただし、本発明には、ビームエキスパンダーを有しない光学系を利用してもよい。
【００６３】
光学系１０は、図１（Ａ）及び図２に示すように、試料１００を透過した透過光が、検光子２８に入射するように構成されていてもよい。ただし、光学系１０は、試料１００からの反射光が、検光子２８に入射するように構成されていてもよい（図示せず）。
【００６４】
光学系１０は、また、図１（Ａ）に示すように、反射板１８（ミラー）を有していてもよい。反射板１８を利用することで、光学系１０を、試料１００を水平に配置することが可能な構成にすることができる。すなわち、反射板１８を利用することで、光学系１０を顕微鏡型の構成としてもよい。
【００６５】
１−２：光強度情報取得部４０
光強度情報取得部４０は、位相変調素子２５及び試料１００、並びに、検光子２８によって変調され、受光部１４で受光された測定光の光強度情報を取得する。
【００６６】
計測装置１では、光強度情報取得部４０で、１／２波長板２４、１／４波長板２６、及び検光子２８の主軸方位の設定が異なる光学系１０で得られる、複数の測定光の光強度情報を取得する。
【００６７】
すなわち、光強度情報取得部４０では、複数の測定光の光強度情報を取得する。そして、当該複数の測定光とは、それぞれ、光学素子（１／２波長板２４、１／４波長板２６、及び、検光子２８）の少なくとも１つの主軸方位の設定が異なる光学系１０で得られる光である。
【００６８】
言い換えると、光強度情報取得部４０では、第１〜第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の光強度情報、すなわち、Ｍ個の光強度情報を取得する。ここで、第１〜第Ｍの光強度情報は、それぞれ、第１〜第Ｍの主軸方位条件に設定された光学系１０によって得られる測定光の光強度である。そして、第１〜第Ｍの主軸方位条件とは、相互に、光学素子（１／２波長板２４、１／４波長板２６、及び、検光子２８）の少なくとも１つの主軸方位設定が異なっている。なお、第１〜第Ｍの主軸方位条件では、偏光子２２の主軸方位は、一定であってもよい。あるいは、第１〜第Ｍの主軸方位条件は、偏光子２２の主軸方位が異なっていてもよい。
【００６９】
そして、光強度情報取得部４０で取得された複数の光強度情報は、演算処理装置６０の記憶装置５５に格納されてもよい。記憶装置５５では、複数の光強度情報を、光学系１０の設定条件（偏光子２２、１／２波長板２４、１／４波長板２６、及び、検光子２８の主軸方位）と対応させて格納してもよい。例えば、記憶装置５５では、第１〜第Ｍの主軸方位条件（主軸方位情報）と、第１〜第Ｍの光強度情報とを、対応させて格納してもよい。
【００７０】
１−３：演算処理部５０
演算処理部５０は、測定光の光強度の理論式と、測定光の光強度情報とに基づいて、測定対象（試料１００）の複屈折位相差及び主軸方位を算出する演算処理を行う。後で詳述するが、測定光の光強度の理論式は、試料１００の複屈折位相差及び主軸方位を含んでいる。そのため、測定光の光強度の理論式と、測定光の光強度情報とを利用すれば、試料１００の複屈折位相差及び主軸方位を算出することが可能になる。
【００７１】
１−４：演算処理装置６０
計測装置１は、演算処理装置６０を含んでいてもよい。演算処理部５０は、演算処理装置６０に含まれていてもよい。演算処理装置６０は、また、記憶装置５５を含んでいてもよい。記憶装置５５は、演算処理部５０で算出された種々のデータを一時保管する機能を有していてもよい。
【００７２】
なお、計測装置１は、特に演算処理装置６０（演算処理部５０）において、コンピュータを利用した処理が可能である。ここで、コンピュータとは、プロセッサ（処理部：ＣＰＵ等）、メモリ（記憶部）、入力装置、及び、出力装置を基本的な構成要素とする物理的装置（システム）を言う。
【００７３】
図４には、演算処理装置６０を構成する、演算処理システムの機能ブロックの一例を示す。
【００７４】
処理部１１０は、情報記憶媒体１３０に格納されるプログラム（データ）に基づいて本実施形態の種々の処理を行う。即ち情報記憶媒体１３０には、本実施形態の各部としてコンピュータを機能させるためのプログラム（各部の処理をコンピュータに実行させるためのプログラム）が記憶される。
【００７５】
処理部１１０の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などのハードウェアや、プログラムにより実現できる。
【００７６】
記憶部１２０は、処理部などのワーク領域となるもので、その機能はＲＡＭなどにより実現できる。
【００７７】
情報記憶媒体１３０（コンピュータにより読み取り可能な媒体）は、プログラムやデータなどを格納するものであり、その機能は、光ディスク（ＣＤ、ＤＶＤ）、光磁気ディスク（ＭＯ）、磁気ディスク、ハードディスク、磁気テープ、或いはメモリ（ＲＯＭ）などにより実現できる。
【００７８】
情報記憶媒体１３０に格納されたプログラムに基づいて、光学系１０の光学素子の主軸方位が設定され、光源１２の発光動作が制御されてもよい。
【００７９】
表示部１４０は、本計測装置で得られた情報を、画像として表示する機能を有していてもよい。表示部１４０は、既に公知となっているいずれかのハードウェアを適用してもよい。
【００８０】
なお、演算処理装置６０は、計測装置１の動作を統括制御する機能を有していてもよい。すなわち、演算処理装置６０は、後述する駆動・検出部７０を制御して光学素子の主軸方位を設定し、光源１２の発光動作を制御し、そして、光強度情報取得部４０及び演算処理部５０の動作を制御してもよい。
【００８１】
１−５：駆動・検出部７０
計測装置１は、駆動・検出部７０−１〜７０−４をさらに含んでいてもよい。駆動・検出部のうち、駆動部は、光学系を構成する光学素子の主軸方位を可変設定するアクチュエータである。また、検出部は、光学素子の主軸方位を検出するセンサである。
【００８２】
（２）光学特性計測原理
次に、本実施の形態に係る光強度特性計測装置が採用する、光学特性計測原理を説明する。
【００８３】
２−１：測定光の光強度の理論式
以上の光学系１０を構成する光学素子及び試料１００のミュラー行列は、以下のように書き表すことができる。
【００８４】
【数７】
0004639335.tif 000008
【００８５】
なお、Ｐθは偏光子２２のミュラー行列であり、θはその主軸方位である。また、Ｈθ１は、１／２波長板２４のミュラー行列であり、θ１はその主軸方位である。また、Ｑθ２は１／４波長板２６のミュラー行列であり、θ２はその主軸方位である。また、ＸΔ，φは試料１００のミュラー行列であり、Δ，φは、それぞれ、試料１００の複屈折位相差及び主軸方位である。そして、Ａθ３は、検光子２８のミュラー行列であり、θ３はその主軸方位である。
【００８６】
そして、光源１２から出射される光のストークスパラメータは、
【数８】
0004639335.tif 000009
と表すことができる。
【００８７】
そして、それぞれのミュラー行列とストークスパラメータとの関係は、
【数９】
0004639335.tif 000010
と書き表すことができる。なお、ＳＯは、出射光のストークスパラメータであり、ＳＯ＝｛Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３｝＝｛光強度，水平直線偏光，４５°直線偏光，右回り円偏光｝である。
【００８８】
測定光の光強度Ｉは、式（１）〜式（７）を利用すると、次のように表すことができる。
【００８９】
【数１０】
0004639335.tif 000011
【００９０】
２−２：試料１００の複屈折位相差Δ及び主軸方位φの算出原理
式（Ａ）を見ると、光強度Ｉは、Δ，φ、及び、θ，θ１，θ２，θ３の関数で表せることがわかる。
【００９１】
ところで、光強度Ｉは、光強度情報取得部４０によってその値を知ることができる。また、θ，θ１，θ２，θ３の各値は、検出部（駆動・検出部７０）を利用して、あるいは、予めプログラムされた情報によって、既知の値とすることができる。すなわち、式（Ａ）は、Δ，φを未知数として含む関数であると捉えることができる。
【００９２】
そして、光学系１０を構成する光学素子の主軸方位が変わると、θ，θ１，θ２，θ３の値が変化し、光強度Ｉの値も変化する。すなわち、光強度は、θ，θ１，θ２，θ３の各値を反映しているといえる。そのため、式（Ａ）に、複数の光強度情報と、対応する光学素子の主軸方位情報とを代入することで、Δ，φの関係を表す複数の関係式を導出することができる。
【００９３】
そして、Δ，φの関係を表す複数の関係式を連立させて、Δ，φについて解けば、試料１００の複屈折位相差Δ及び主軸方位φを算出することができる。なお、これらの関係式を利用して、複屈折位相差Δ及び主軸方位φのいずれか１つのみを算出してもよい。
【００９４】
（３）光特性計測手順
次に、本実施の形態に係る光特性計測装置による、光特性計測手順について説明する。
【００９５】
図５及び図６には、本実施の形態に係る光特性計測装置の動作フローチャートを示す。
【００９６】
３−１：光強度情報取得手順
図５は、光強度情報取得手順のフローチャートである。
【００９７】
光強度情報取得手順では、まず、光学系１０を構成する光学素子の主軸方位を設定する（ステップＳ１０）。
【００９８】
この状態で、光源１２から光を出射し、光学素子及び試料１００によって変調された測定光を、受光部１４で受光する。そして、光強度情報取得部４０で、受光部１４が受光した測定光の光強度情報を取得する（ステップＳ１２）。
【００９９】
なお、ステップＳ１２の前のいずれかに、光学系１０の光路Ｌ上に、試料１００を設けるステップを行ってもよい。当該ステップは、光学素子の主軸方位を設定するステップの前後のいずれに行ってもよい。
【０１００】
また、光強度情報取得手順では、複数の測定光の光強度情報を取得する。ここで、複数の測定光は、光学素子（１／２波長板２４、１／４波長板２６、及び、検光子２８）の主軸方位が異なる光学系１０で得られる測定光である。すなわち、光強度情報取得手順では、上記のステップＳ１０及びステップＳ１２を、光学素子の主軸方位設定を変更して複数回行う。
【０１０１】
計測装置１では、光学素子の主軸方位情報、及び、光強度情報取得部４０で取得された複数の測定光の光強度情報を、記憶装置５５に格納してもよい。このとき、記憶装置５５では、それぞれの測定光の光強度情報と、光学素子の主軸方位情報とを、対応付けして格納してもよい。すなわち、記憶装置５５では、第１〜第Ｍの光強度情報と、第１〜第Ｍの主軸方位情報とを、対応付けして格納してもよい。
【０１０２】
詳しくは、計測装置１では、はじめに、光学素子の主軸方位を第１の条件に設定して、第１の光強度情報を取得する。そして、上述の記憶装置５５に、第１の条件（主軸方位情報）と第１の光強度情報とを対応付けして格納する。続いて、光学素子の主軸方位を第２の条件に設定（変更）して、第２の光強度情報を取得し、記憶装置５５で、第２の条件と第２の光強度情報とを対応付けして格納する。以下、この動作を繰り返し、Ｍ個の主軸方位情報と、Ｍ個の光強度情報を取得し、それぞれを対応させて、記憶装置５５に格納してもよい。
【０１０３】
なお、光学系の光学素子の主軸方位は、アクチュエータにより設定（変更）してもよい。また、光学系の光学素子の主軸方位情報は、検出部で検出してもよく、予めプログラムされた情報に従ってもよい。
【０１０４】
３−２：演算処理手順
図６は、演算処理手順のフローチャートである。演算処理手順では、光強度情報取得手順で取得された測定光の光強度情報と、測定光の理論式とに基づいて、試料１００の光学特性を算出する。
【０１０５】
演算処理手順では、はじめに、測定光の理論式（例えば式（Ａ））に、光強度情報と、光学素子の主軸方位情報とを代入し、試料１００の光学特性（複屈折位相差Δ及び主軸方位φ）と、測定光の光強度との関係を表す関係式を導出する（ステップＳ２０）。
【０１０６】
なお、１つの光強度情報と、対応する１つの主軸方位情報とから、試料１００の複屈折位相差Δ及び主軸方位φの関係を表す関係式を１つ導出することができる。すなわち、複数の光強度情報と、対応する主軸方位とを利用すれば、試料１００の複屈折位相差Δ及び主軸方位φの関係を表す複数の関係式を導出することができる。
【０１０７】
そして、複数の関係式を解くことによって、試料１００の光学特性（複屈折位相差Δ、及び、主軸方位φ）を算出する（ステップＳ２２）。
【０１０８】
（４）試料１００の複屈折位相差Δ及び主軸方位φを算出する演算の具体例
以下、本実施の形態に係る計測装置に適用可能な、試料１００の複屈折位相差Δ及び主軸方位φを算出する演算の一例を示す。
【０１０９】
ここでは、受光部１４で受光された測定光の光強度の理論式を、
【数１１】
0004639335.tif 000012
と表し、式（Ｂ）と、光強度情報及び光学素子の主軸方位情報に基づいて、試料１００の複屈折位相差Δ及び主軸方位φを算出する。
【０１１０】
３−１：式（Ｂ）の導出
本光学系で得られる光強度の理論式は、式（Ａ）で表すことができる。
【０１１１】
ここで、θ２＝θ３とすると、式（Ａ）は、
【数１２】
0004639335.tif 000013
となる。
【０１１２】
また、Δ≪１と近似すると、式（８）は、
【数１３】
0004639335.tif 000014
となる。
【０１１３】
ここでも、θ２＝θ３とすることで、式（９）を三角関数の合成により
【数１４】
0004639335.tif 000015
と書き換えることができる。
【０１１４】
さらに、Δ≪１としたため、式（１０）は
【数１５】
0004639335.tif 000016
と近似することができる。すなわち、以上の手順によって、光強度の理論式である式（Ａ）を、式（Ｂ）に変換することができる。
【０１１５】
３−２：式（Ｂ）に基づいた具体的な演算処理
以下、式（Ｂ）に基づく、具体的な演算処理について説明する。なお、ここでは、式（１１）の試料の偏光特性（複屈折）による位相変化を検出する手法として位相シフト法を用いる。位相シフト法とは、位相変調素子２５によって与えられる複屈折位相差δbiをi回変化させることで位相成分（Φ）を求める方法である。ただし、以下の演算手法は、計測装置１に適用可能な演算処理の一例であって、本発明は、これに限られるものではない。
【０１１６】
上述した式（Ｂ）は、
【数１６】
0004639335.tif 000017
と置き換えることができる。
【０１１７】
ところで、実測される光強度には、振幅及びバイアス成分が含まれることがあり、これを考慮すると、式（１１）は、
【数１７】
0004639335.tif 000018
と表すことができる。
【０１１８】
式（１２）より、位相Φθ３は、
【数１８】
0004639335.tif 000019
となる。
【０１１９】
式（１２）での位相変調素子における位相δbiをＮ回変化させたものとし、誤差を含む実測値I´iと式（１２）の理論値Iiとを近似し、ａ０，ａ１，ａ２を決めることにより、位相Φθ３を求める。ここでは、最小自乗法により
【数１９】
0004639335.tif 000020
とおき、
【０１２０】
【数２０】
0004639335.tif 000021
を満たすａ０，ａ１，ａ２を、次式に基づき求める。
【０１２１】
【数２１】
0004639335.tif 000022
【０１２２】
式（１６）は、行列を用いると、次式のように表せる。
【数２２】
0004639335.tif 000023
【０１２３】
式（１７）の逆行列を求めれば、ａ１，ａ２は、次式のように得られる。
【０１２４】
【数２３】
0004639335.tif 000024
【０１２５】
そして、式（１３）及び式（１８）から、位相差Φθ３は、
【数２４】
0004639335.tif 000025
のように得られる。
【０１２６】
一般的に、画像計測に用いられている４ステップ位相シフト法では、δbiを、０°，９０°，１８０°，２７０°と変化させ、図７のようなサンプリングを行う。ここで、図７に示す光強度の正弦波は、サンプルの持つ複屈折によって位相変化が生じており、θ３＝０°のときのサンプリング点を○で、θ３＝４５°のときのサンプリング点を●で、θ３＝９０°のときのサンプリング点を□で、θ３＝１３５°のときのサンプリング点を■で、それぞれ表している。すなわち、図７では、θ３＝０°，４５°，９０°，１３５°における、光強度のサンプリング点を示しているといえる。言い換えると、図７の各点で示される光強度は、δbi＝０°，９０°，１８０°，２７０°、かつ、θ２＝θ３＝０°，４５°，９０°，１３５°の条件を満たすようにθ，θ１，θ２，θ３が設定された光学系１０によって得られた１６個の測定光の光強度であるといえる。
【０１２７】
次に示す表１には、上記の条件を満たすθ，θ１，θ２，θ３の具体的な設定値の一例を示す。なお、表１の例では、θ＝０°とした。そして、表１は、θ１の値を表している。
【０１２８】
【表１】
0004639335.tif 000026
【０１２９】
そして、検出された光強度の実測値と、光学素子の主軸方位の設定値とを対応させて解析することによって、Φ０，Φ４５，Φ９０，Φ１３５を得ることができる。
【０１３０】
すなわち、θ３＝０°のとき、式（１２）より、
【数２５】
0004639335.tif 000027
となる。
【０１３１】
４ステップ位相シフト法を例に、δbi＝０°，９０°，１８０°，２７０°を代入し、このときの光強度をＩ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３とすると、
【数２６】
0004639335.tif 000028
となる。
【０１３２】
これらを連立させれば、
【数２７】
0004639335.tif 000029
が得られる。
【０１３３】
この、Ｉ０，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に、サンプリング点○での光強度（実測値）を代入することで、Φ０を算出することができる。
【０１３４】
同様の手順により、Φ４５，Φ９０，Φ１３５を算出することができる。
【０１３５】
次に、Φθ３中に含まれる複屈折位相差Δ及び主軸方位φを求める。
【０１３６】
式（１１）でおいた、
【数２８】
0004639335.tif 000030
より、さらに
【数２９】
0004639335.tif 000031
とおく。
【０１３７】
式（２４）のθ３に、０°，４５°，９０°，１３５°を代入し、光強度から求めた値であるΦ０，Φ４５，Φ９０，Φ１３５の各値を対応させると、
【０１３８】
【数３０】
0004639335.tif 000032
と表せる。
【０１３９】
これらを連立させることによって、
【数３１】
0004639335.tif 000033
となり、試料１００の複屈折位相差Δ及び主軸方位φを得ることができる。
【０１４０】
すなわち、以上の演算処理によって、試料１００の複屈折位相差Δ及び主軸方位φを算出することができる。
【０１４１】
なお、ここまで、位相シフト法の１つである４ステップ位相シフト法に基づく演算手法について説明したが、これとは別に、局所サンプリング法に基づいて演算処理を行ってもよい。
【０１４２】
すなわち、式（１９）において、変調量δbiを、１８０°を中心に等間隔（１５０°，１７０°，１９０°，２００°）に変化させると、Σsinδbiが０となる。すなわち、式（１９）は、より簡便な次式で表すことができる。
【０１４３】
【数３２】
0004639335.tif 000034
【０１４４】
そして、式（２６）を用いてΦθ３（Φ０，Φ４５，Φ９０，Φ１３５）を検出した後は、同様の手順によって、試料１００の複屈折位相差Δ及び主軸方位φを得ることができる。
【０１４５】
図８には、局所サンプリング法を適用した場合の、光強度のサンプリング結果を示す。図８に示すように、局所サンプリング法によると、位相変調量を１８０°付近で変化させて、サンプルの持つ複屈折に応じて光強度が最も変化するよう、測定レンジを制約する。その結果、ディテクタのダイナミックレンジに対してわずかな位相変化による光強度の差が、十分に大きく得られるため、４ステップ位相シフト法に較べて、微小な複屈折位相差を高精度に計測することが可能になる。
【０１４６】
（５）キャリブレーション
試料１００の複屈折位相差Δ及び主軸方位φは、上記の演算処理によって算出可能である。しかし、実際に装置を利用して計測を行う場合には、光学素子による偏光状態の変化や、光軸調整時の誤差が生じることがある。すなわち、上記の演算処理のみでは、光学系（光学素子）の持つ複屈折から生じる誤差は補償されていない。言い換えると、上記の演算処理による計測値には、装置に固有の誤差が含まれることになる。そこで、試料の複屈折をより正確に検出するために、装置の持つ複屈折を取り除くためのキャリブレーションを行ってもよい。
【０１４７】
複屈折Ｒは、大きさ（複屈折位相差Δ）及び方向（主軸方位φ）を持つベクトル量であることから、試料の複屈折の方位と装置の複屈折の方位とが一致していない場合、次式に示すように、ベクトルによる減算を行う必要がある。
【０１４８】
【数３３】
0004639335.tif 000035
【０１４９】
なお、ｓはサンプルの値、ｍは計測値、ｎは装置のみの値である。
【０１５０】
このような、方位を考慮した計算を行うためには、単純に複屈折位相差と主軸方位の結果を減算するのではなく、方位の情報を含んだ位相変化の段階で補正を行う必要がある。
【０１５１】
まず、試料を入れない状態で位相差を与え、光強度の変化を検出する。検出された光強度より、位相Φθが得られる。方位θを、０°，４５°，９０°，１３５°と変化させることにより、位相Φn０，Φn１，Φn２，Φn３を得る。これをヌルの状態での位相とする。ヌルの位相には、装置の持つ複屈折の大きさ及び方向の情報が含まれている。
【０１５２】
同様に、試料を置き、位相Φm０，Φm１，Φm２，Φm３を求める。この位相には、装置及び試料の複屈折情報が含まれている。
【０１５３】
これらの位相から、試料のみによる位相Φs０，Φs１，Φs２，Φs３を求める。すなわち、次式に示すように、各方位で位相の減算を行う。
【０１５４】
【数３４】
0004639335.tif 000036
【０１５５】
位相ごとの減算によるキャリブレーションを行うことにより、光学系の持つ複屈折と試料の持つ複屈折とを量として扱うのではなく、方位も考慮したベクトルとしてとらえることができる。そのため、試料の複屈折が微小な場合であっても、高精度の計測が可能になる。
【０１５６】
なお、式（２８）によるキャリブレーションは、上述した式（２３）で得られる、Φ０，Φ４５，Φ９０，Φ１３５に対して行ってもよい。この場合には、上記のキャリブレーション後の値を利用して、式（２５）以降の各処理を行ってもよい。
【０１５７】
図９に、上記のキャリブレーション手順を含む、光学特性計測手順を示す。なお、装置が有する複屈折は、当該装置に固有のものであるため、ヌル画像の位相検出は計測開始時のみに行えばよい。すなわち、サンプルが複数ある場合でも、ヌル画像は一組で足る。
【０１５８】
はじめに、実験光学系の方位を決定する（ステップＳ３０）。すなわち、光学系の光軸調整を行う。
【０１５９】
そして、ヌル画像を取得する（ステップＳ３２）。すなわち、試料１００を入れない状態で、計測を行う。これにより、ヌル位相を検出する。すなわち、位相Φｎ０，Φｎ１，Φｎ２，Φｎ３を求める。
【０１６０】
そして、サンプル画像を取得する（ステップＳ３４）。すなわち、試料１００を入れた状態で、計測を行う。これにより、位相Φｍ０，Φｍ１，Φｍ２，Φｍ３を検出する。
【０１６１】
そして、試料のみによる位相Φs０，Φs１，Φs２，Φs３を求める（ステップＳ３６）。
【０１６２】
その後、例えば、図７及び図８に示す手順に従って、試料１００の複屈折位相差Δ及び主軸方位φを求める（ステップＳ３８）。
【０１６３】
（６）計測結果
図１０〜図１４に、本実施の形態に係る光学特性計測装置の精度検定試験の結果を示す。
【０１６４】
本試験では、任意の複屈折位相差と主軸方位とを与えることができる、バビネ・ソレイユ補償器をサンプルとして用いて計測を行った。また、これらの試験では、局所サンプリング法を利用して演算処理を行った。
【０１６５】
図１０は、複屈折位相差計測の計測結果を示している。図１０を見ると、複屈折位相差が０°〜３０°程度の範囲内では、極めて高精度の結果が得られることがわかる。しかし、複屈折位相差が３０°以上の範囲では、若干の誤差が認められる。これは、理論式である式（Ｂ）を導出する際に行った近似の影響であると思われる。そのため、対応可能な複屈折位相差の範囲を広げるとともに、計測結果の信頼性を高めるために、データの較正（キャリブレーション）を行ってもよい。
【０１６６】
図１１に、データの較正を行った後の計測結果を示す。図１１の例では、位相Φθ３を求める際にアークタンジェントを取って較正を行った。較正の結果、図１１の●のように、複屈折位相差が１radを超える試料であっても、正確に計測することが可能となる。
【０１６７】
また、図１２は、主軸方位計測の計測結果を示している。図１２を見ると、本計測装置が、主軸方位を正確に計測できることがわかる。
【０１６８】
そして、図１３及び図１４には、本計測装置１を用いて得られた解析結果を示す。詳しくは、図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、計測装置１を利用して、鶏の深胸筋の光学特性を測定した様子を示す。ここで、図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は、それぞれ、測定対象としての鶏の深胸筋の、複屈折位相差、主軸方位、及び、これらをベクトル表示したものを示す。また、図１４（Ｃ）及び図１４（Ｄ）は、それぞれ、図１４（Ａ）に示すプラスチックディスクの、図１４（Ｂ）に示される断面の、複屈折位相差及びベクトル表示である。計測装置１によると、図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）、図１４（Ｃ）及び図１４（Ｄ）に示すように、測定対象を、面単位で解析した結果を、視覚的なデータとして得ることができる。
【０１６９】
以上のように、本光学特性計測装置によると、１６組のデータのみによって、試料１００の光学特性（複屈折位相差Δ、主軸方位φ）を計測することができる。すなわち、解析のためのデータ数が少なくてよいため、演算処理の負荷を小さくすることができる。そのため、検出器にＣＣＤカメラを用いた画像計測が容易である。また、入射光の偏光状態を変えて取得した偏光画像から、画素毎に位相計算を行い、試料の複屈折（複屈折位相差Δ及び主軸方位φ）の２次元分布を画像として取得することができる。これによって、試料の内部応力、分子配向状態を視覚化することが可能である。
【０１７０】
また、入射光の偏光状態を変化させるために使用する位相変調素子２５を、回転系のみで構成することで、位相変調作業が簡便になり、モータなどによる自動化が容易である。すなわち、計測に必要なデータを、短時間で取得することが可能になる。そのため、本発明によると、試料が変化していく様子をリアルタイムに観察することが可能な、光学特性計測装置を提供することができる。
【０１７１】
特に、光強度の理論式として式（Ｂ）を利用する場合には演算処理が容易になり、短時間で計測結果を得ることができる。そのため、試料が変化していく様子を細かく観察することが可能になり、生体試料などの、逐次的に状態が変化する試料の観察に適した装置を提供することができる。
【０１７２】
なお、演算処理が容易になれば、複数の演算処理を並列して行うことが可能になる。このことから、広がりを有する試料を、面の状態で、リアルタイムに計測することが可能な光学特性計測装置を提供することができる。
【０１７３】
なお、生体試料は、通常、複屈折位相差が３０°以下である。すなわち、生体試料の場合には、データの較正作業を行わなくても、精度の高い測定結果を得ることができる（図１０及び図１１参照）。そのため、本発明に係る光学特性計測装置を生体試料の計測に適用する場合には、較正作業が不要になるため、さらに短時間での演算処理が可能になる。
【０１７４】
また、位相検出の解析法に局所サンプリング法を用いることで、ディテクタのダイナミックレンジに対してわずかな位相変化による光強度の差が、十分大きく得られるため、高分解能な計測が可能となる。そのため、微小な複屈折分布を定量的に得ることができる。
【０１７５】
また、２次元計測装置とすると、レンズやミラーを用いるため、装置自体の持つ複屈折が問題となるが、位相減算によるキャリブレーションを行うことで、試料のみの複屈折を高精度に計測することができる。
【０１７６】
（第２の実施の形態）
以下、本発明を適用した第２の実施の形態に係る計測装置として、測定対象の旋光角を計測することが可能な計測装置について説明する。
【０１７７】
（１）光学特性計測原理
旋光試料（旋光角γ）のミュラー行列Ｘγは、次式で表すことができる。
【０１７８】
【数３５】
0004639335.tif 000037
【０１７９】
そして、入射光を、ミュラー行列によって、次式のように変換する。
【０１８０】
【数３６】
0004639335.tif 000038
これにより、得られる光強度の式は、
【数３７】
0004639335.tif 000039
となる。
【０１８１】
式（Ｄ）を見ると、光強度が、θ，θ１，θ２，θ３及びγの関数で表せることがわかる。そのため、式（Ｄ）に、光強度Ｉ及びθ，θ１，θ２，θ３の各値を代入し、γについて解くことで、旋光角γを算出することができる。
【０１８２】
（２）試料１００の旋光角γを算出する演算の具体例
ところで、θ１−θ／２＝θ２／２と置くことで、光強度の振幅が最大となり、光強度の理論式は、
【数３８】
0004639335.tif 000040
と簡便な形になる。
【０１８３】
光強度の理論式として式（Ｅ）を利用することで、γを算出するための処理負荷を軽減することができる。
【０１８４】
すなわち、式（Ｅ）を、
【数３９】
0004639335.tif 000041
と置き換え、位相シフト法（局所サンプリング法又は４ステップ位相シフト法等）を用いると、旋光角γは、
【数４０】
0004639335.tif 000042
となる。
【０１８５】
以上の演算により、試料１００の旋光角γを算出してもよい。
【０１８６】
（３）計測結果
図１５に、本実施の形態に係る光学特性計測装置の精度検定試験の結果を示す。
【０１８７】
本試験では、回転によって旋光角を与えられる１／２波長板をサンプルとして用いて計測を行った。また、これらの試験では、局所サンプリング法を利用して演算処理を行った。
【０１８８】
図１５を見ると、本計測装置が、旋光角を正確に計測できることがわかる。
【０１８９】
すなわち、本実施の形態によると、旋光角γを計測することが可能な計測装置を提供することができる。
【０１９０】
（第３の実施の形態）
以下、本発明を適用した第３の実施の形態に係る計測装置として、測定対象の複屈折位相差、主軸方位、及び、旋光角を計測することが可能な計測装置について説明する。
【０１９１】
（１）光学特性計測原理
試料１００が複屈折（複屈折位相差Δ及び主軸方位φ）と旋光（旋光角γ）の両方を有する場合に、試料１００の光学特性を計測する計測原理を説明する。
【０１９２】
複屈折試料と旋光試料とをあわせて複合素子として、出射ストークスパラメータＳ０を
【数４１】
0004639335.tif 000043
のように表すと、光強度の式は、
【数４２】
0004639335.tif 000044
となる。
【０１９３】
式（Ｆ）を見ると、光強度が、θ，θ１，θ２，θ３、及び、Δ，φ，γの関数で表せることがわかる。そのため、式（Ｆ）に、光強度Ｉ及びθ，θ１，θ２，θ３の各値を代入し、Δ，φ，γの各値について解くことで、試料１００の複屈折位相差Δ、主軸方位φ、及び、旋光角γを算出することができる。
【０１９４】
（２）試料１００の複屈折位相差Δ、主軸方位φ、及び、旋光角γを算出する演算の具体例
ここで、複屈折計測と同様にθ２＝θ３とすることで、光強度の理論式は、
【数４３】
0004639335.tif 000045
となる。
【０１９５】
Δ≪１との近似を用い、三角関数の合成を行うと、光強度の理論式は、
【数４４】
0004639335.tif 000046
となる。
【０１９６】
旋光角γが微小な範囲（γ≪１）であれば、cos２γ＝１となり、光強度は、
【数４５】
0004639335.tif 000047
と表すことができる。
【０１９７】
そして、複屈折計測と同様にtan−１部分の位相を求め、これにより、複屈折位相差Δ及び、主軸方位と旋光角の和であるφ−γを得ることができる。
【０１９８】
また、θ１−θ／２＝θ２／２の条件で旋光計測を行った場合は、式（Ｆ）は、先述の式（Ｅ）と同様の式になる。
【０１９９】
そのため、前述の旋光計測と同様に旋光角γを求めることができる。
【０２００】
以上の演算により、試料１００の複屈折位相差Δ、主軸方位φ、及び、旋光角γを算出してもよい。
【０２０１】
（３）計測結果
図１６に、本実施の形態に係る光学特性計測装置の精度検定試験の結果を示す。
【０２０２】
本試験では、複屈折試料（複屈折位相差１８°、主軸方位４５°）と、旋光試料（１／２波長板）とをサンプルとして用いて計測を行った。横軸を１／２波長板の回転による旋光角とし、これに対する複屈折位相差、主軸方位及び旋光角の和を、図１６に示す。
【０２０３】
図１６を見ると、旋光角が０°〜８°程度の範囲内では大きな誤差を生じさせず、高精度に複屈折位相差を計測することが可能であることがわかる。また、主軸方位及び旋光角の和は、４５°から、１／２波長板の回転各に応じて線形に増加しており、精度の高い計測がなされていることがわかる。
【０２０４】
なお、計測に利用した装置は、光強度の理論式として式（Ｇ）を利用している。そのため、旋光角γが１radを超える範囲では、図１７に示すように、正しい計測ができなくなるおそれがある。しかし、誤差に規則性があるため（連続な関数で近似・較正が可能なため）、近似式を用いるか、予め用意したルックアップテーブルを利用することで、正しい計測値を得ることができる。
【０２０５】
すなわち、本発明によると、簡易、迅速、かつ、正確に、試料の光学特性（複屈折位相差Δ、主軸方位φ、及び、旋光角γ）を計測することが可能な、光学特性計測装置を提供することができる。
【０２０６】
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【０２０７】
例えば、光学系１０を構成する光学素子は、手動で、その主軸方位を変更可能に構成されていてもよい。この場合には、検出部によってその主軸方位情報を取得し、各種演算処理を行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０２０８】
本発明は、複屈折分布から、高分子の配向状態や残留応力を視覚化できるため、ガラスや樹脂等、透明体（レンズやガラス基板等の光学素子、プラスチックを用いた成形品）の製品検査に用いることができる。
【０２０９】
また、顕微鏡型のシステムとすることで、生体組織の分子配向状態や内部応力を観察することができる。配向した分子から成る特定の部位を、染色や酵素処理などを行わずに検出することができるため、様々な組織片を扱う医療分析及び美容分野において利用することができる。
【０２１０】
さらに、計測を高速化させることにより、製品加工時の応力状態や、運動する生体試料の内部応力状態の動的モニタリングが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０２１１】
【図１】光学特性計測装置の概略図である。
【図２】光学特性計測装置のブロック図である。
【図３】光学特性計測装置について説明するための図である。
【図４】光学特性計測装置について説明するための図である。
【図５】光強度情報取得手順を示すフローチャート図である。
【図６】演算処理手順を示すフローチャート図である。
【図７】光強度の一例を示す図である。
【図８】光強度の一例を示す図である。
【図９】光学特性計測手順を示すフローチャート図である。
【図１０】精度検定試験の結果を示す図である。
【図１１】データの較正を行った場合の精度検定試験の結果を示す図である。
【図１２】精度検定試験の結果を示す図である。
【図１３】光学特性計測装置による計測結果を示す図である。
【図１４】光学特性計測装置による計測結果を示す図である。
【図１５】精度検定試験の結果を示す図である。
【図１６】精度検定試験の結果を示す図である。
【図１７】精度検定試験の結果を示す図である。
【符号の説明】
【０２１２】
１…計測装置、  １０…光学系、  １２…光源、  １４…受光部、  １５…受光素子、  １６…ビームエキスパンダー、  １８…反射板、  ２２…偏光子、  ２４…１／２波長板、  ２５…位相変調素子、  ２６…１／４波長板、  ２８…検光子、  ４０…光強度情報取得部、  ５０…演算処理部、  ５５…記憶装置、  ６０…演算処理装置、  １００…試料、  １１０…処理部、  １２０…記憶部、  １３０…情報記憶媒体、  １４０…表示部、  Ｌ…光路
【図１】
0004639335.tif 000053
【図２】
0004639335.tif 000054
【図３】
0004639335.tif 000055
【図４】
0004639335.tif 000056
【図５】
0004639335.tif 000057
【図６】
0004639335.tif 000058
【図７】
0004639335.tif 000059
【図８】
0004639335.tif 000060
【図９】
0004639335.tif 000061
【図１７】
0004639335.tif 000062
【図１０】
0004639335.tif 000063
【図１１】
0004639335.tif 000064
【図１２】
0004639335.tif 000065
【図１３】
0004639335.tif 000066
【図１４】
0004639335.tif 000067
【図１５】
0004639335.tif 000068
【図１６】
0004639335.tif 000069