(57)【要約】【課題】被検出体の位相差や光軸方位の２次元分布を、広範囲で、且つ高精度、短時間に測定することができる偏光検出装置を提供する。【解決手段】本発明の偏光検出装置３０は、偏光子アレイ７と、ＴＤＩイメージセンサ５とが設けられた検出光学手段１、計算処理手段２、及び、走査ステージ３を備えている。偏光子アレイ７は、ＴＤＩイメージセンサの積分方向に整列した偏光子８からなる段を該積分方向に垂直な方向に４つ整列して、これを１つの組とすると、各段は、上述したように所定の角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有した偏光子からなり、上記組が、上記垂直な方向に沿って複数設けられており、ＴＤＩイメージセンサは、偏光子アレイ７の各偏光子８を透過した光を受光する受光素子を有している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出体の偏光状態を検出するための偏光検出装置であって、
複数の位相子によって構成された位相子アレイと、偏光板と、上記被検出体から出射された光であって、上記位相子及び上記偏光板を透過した光を受光するイメージセンサとが設けられた検出光学手段、及び、
上記イメージセンサの出力から、上記被検出体の偏光情報を算出する算出手段を備えており、
上記位相子アレイは、Ｒ個（但し、Ｒは２以上の整数）の位相子が整列してなる１つの段に、所定の角度範囲内において、異なる進相軸角度を有した複数の上記位相子を有していることを特徴とする偏光検出装置。
【請求項２】
上記イメージセンサは、時間遅延積分型イメージセンサであり、
上記偏光検出装置は、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に沿って上記時間遅延積分型イメージセンサと上記被検出体とを相対移動させるための走査ステージを更に備えており、
上記段を構成する位相子の整列方向は、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に沿っていることを特徴とする請求項１に記載の偏光検出装置。
【請求項３】
上記１つの段を構成する位相子の整列方向に対して垂直な方向に、上記１つの段をＮつ（但し、Ｎは４以上の整数）並べて構成されるＲ×Ｎ個の領域からなる上記位相子アレイを、１つの組としたとき、
上記位相子アレイは、上記組を、上記垂直な方向に複数有しており、
上記位相子アレイのＬ（Ｌは１〜Ｎまでのいずれかの整数）段目の上記組は、基準軸を基準に（Ｌ−１）×１８０°／ＮからＬ×１８０°／Ｎまでの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記領域を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の偏光検出装置。
【請求項４】
上記位相子アレイの上記組は、
基準軸を基準に０°から４５°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第１の上記段と、
基準軸を基準に４５°から９０°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第２の上記段と、
基準軸を基準に９０°から１３５°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第３の上記段と、
基準軸を基準に１３５°から１８０°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第４の上記段とからなることを特徴とする請求項３に記載の偏光検出装置。
【請求項５】
上記位相子アレイの上記組は、
基準軸を基準に０°から３６°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第１の上記段と、
基準軸を基準に３６°から７２°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第２の上記段と、
基準軸を基準に７２°から１０８°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第３の上記段と、
基準軸を基準に１０８°から１４４°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第４の上記段と、
基準軸を基準に１４４°から１８０°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第５の上記段とからなることを特徴とする請求項３に記載の偏光検出装置。
【請求項６】
上記算出手段は、上記第１の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第２の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第３の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第４の段で受光された光に基づいた上記出力とに基づいて、上記被検出体の偏光情報を算出することを特徴とする請求項４に記載の偏光検出装置。
【請求項７】
上記算出手段は、上記第１の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第２の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第３の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第４の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第５の段で受光された光に基づいた上記出力とに基づいて、上記被検出体の偏光情報を算出することを特徴とする請求項５に記載の偏光検出装置。
【請求項８】
上記位相子アレイは、周期的な凹凸構造を形成したものであることを特徴とする請求項１から７までの何れか１項に記載の偏光検出装置。
【請求項９】
上記位相子アレイは、基板の一方の面に周期的な凹凸構造が形成されており、他方の面、あるいは一方の面の上部にワイヤーグリッドを形成することによって上記偏光板の機能を実現していることを特徴とした請求項１から８までの何れか１項に記載の偏光検出装置。
【請求項１０】
上記位相子アレイは、液晶パネルであることを特徴とした請求項１から９までの何れか１項に記載の偏光検出装置。
【請求項１１】
上記位相子アレイは、所定の角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有した複数の位相子からなることを特徴とする請求項１から１０までの何れか１項に記載の偏光検出装置。
【請求項１２】
上記１つの段を構成する上記位相子のいずれもが、互いに異なる進相軸角度を有していることを特徴とする請求項１から１１までの何れか１項に記載の偏光検出装置。
【請求項１３】
被検出体の偏光状態を検出するための偏光検出装置であって、
複数の偏光子によって構成された偏光子アレイと、上記被検出体から出射された光であって、上記偏光子を透過した光を受光するイメージセンサとが設けられた検出光学手段、及び、
上記イメージセンサの出力から、上記被検出体の偏光情報を算出する算出手段を備えており、
上記偏光子アレイは、Ｒ個（但し、Ｒは２以上の整数）の偏光子が整列してなる１つの段に、所定の角度範囲内において、異なる透過軸角度を有した複数の上記偏光子を有していることを特徴とする偏光検出装置。
【請求項１４】
上記イメージセンサは、時間遅延積分型イメージセンサであり、
上記偏光検出装置は、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に沿って上記時間遅延積分型イメージセンサと上記被検出体とを相対移動させるための走査ステージを更に備えており、
上記段を構成する偏光子の整列方向は、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に沿っていることを特徴とする請求項１３に記載の偏光検出装置。
【請求項１５】
上記１つの段を構成する偏光子の整列方向に対して垂直な方向に、上記１つの段をＮつ（但し、Ｎは４以上の整数）並べて構成されるＲ×Ｎ個の領域からなる上記偏光子アレイを、１つの組としたとき、
上記偏光子アレイは、上記組を、上記垂直な方向に複数有しており、
上記偏光子アレイのＬ（Ｌは１〜Ｎまでのいずれかの整数）段目の上記組は、基準軸を基準に（Ｌ−１）×１８０°／ＮからＬ×１８０°／Ｎまでの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記偏光子を含むことを特徴とする請求項１３または１４に記載の偏光検出装置。
【請求項１６】
上記偏光子アレイの上記組は、
基準軸を基準に０°から４５°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記偏光子を含む第１の上記段と、
基準軸を基準に４５°から９０°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記偏光子を含む第２の上記段と、
基準軸を基準に９０°から１３５°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記偏光子を含む第３の上記段と、
基準軸を基準に１３５°から１８０°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記偏光子を含む第４の上記段とからなることを特徴とする請求項１５に記載の偏光検出装置。
【請求項１７】
上記偏光子アレイの上記組は、
基準軸を基準に０°から３６°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記偏光子を含む第１の上記段と、
基準軸を基準に３６°から７２°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記偏光子を含む第２の上記段と、
基準軸を基準に７２°から１０８°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記偏光子を含む第３の上記段と、
基準軸を基準に１０８°から１４４°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記偏光子を含む第４の上記段と、
基準軸を基準に１４４°から１８０°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記偏光子を含む第５の上記段とからなることを特徴とする請求項１５に記載の偏光検出装置。
【請求項１８】
上記算出手段は、上記第１の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第２の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第３の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第４の段で受光された光に基づいた上記出力とに基づいて、上記被検出体の偏光情報を算出することを特徴とする請求項１６に記載の偏光検出装置。
【請求項１９】
上記算出手段は、上記第１の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第２の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第３の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第４の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第５の段で受光された光に基づいた上記出力とに基づいて、上記被検出体の偏光情報を算出することを特徴とする請求項１７に記載の偏光検出装置。
【請求項２０】
上記偏光子アレイは、基板の一方の面にワイヤーグリッドを形成することによって、偏光機能を実現していることを特徴とする請求項１４から１９までの何れか１項に記載の偏光検出装置。
【請求項２１】
上記偏光子アレイは、所定の角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有した複数の偏光子からなることを特徴とする請求項１３から２０までの何れか１項に記載の偏光検出装置。
【請求項２２】
上記段を構成する上記偏光子のいずれもが、互いに異なる透過軸角度を有していることを特徴とする請求項１３から２１までの何れか１項に記載の偏光検出装置。
【請求項２３】
被検出体の偏光状態を検出するための偏光検出装置に設けられる検出光学素子であって、
上記検出光学素子は、Ｒ個（但し、Ｒは２以上の整数）の位相子が整列してなる１つの段に、所定の角度範囲内において、異なる進相軸角度を有した複数の上記位相子を有している位相子アレイであることを特徴とする検出光学素子。
【請求項２４】
被検出体の偏光状態を検出するための偏光検出装置に設けられる検出光学素子であって、
上記検出光学素子は、Ｒ個（但し、Ｒは２以上の整数）の偏光子が整列してなる１つの段に、所定の角度範囲内において、異なる進相軸角度を有した複数の偏光子を有している偏光子アレイであることを特徴とする検出光学素子。
【請求項２５】
被検出体の偏光状態を検出するための偏光検出方法であって、
被写体から出射された光を、
所定の角度範囲内において、異なる進相軸角度を有した複数の位相子を有した位相子アレイに透過させた後、
偏光板に透過させて、
上記偏光板に透過させた光を、イメージセンサに受光させ、
上記イメージセンサからの出力を、上記被検出体の偏光情報を算出するための算出手段に入力させて、被検出体の偏光状態を検出することを特徴とする偏光検出方法。
【請求項２６】
被検出体の偏光状態を検出するための偏光検出方法であって、
被写体から出射された光を、
所定の角度範囲内において、異なる進相軸角度を有した複数の偏光子を有した偏光子アレイに透過させ、
上記偏光子アレイに透過させた光を、イメージセンサに受光させ、
上記イメージセンサからの出力を、上記被検出体の偏光情報を算出するための算出手段に入力させて、被検出体の偏光状態を検出することを特徴とする偏光検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光検出装置及び偏光検出素子、並びに偏光検出方法に関し、詳細には、例えば、透明物質の位相差や光軸方位の２次元分布を、その透過光から短時間に測定することができる偏光検出装置及び偏光検出素子、並びに偏光検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶ディスプレイは液晶分子の配向方向によって透過光の偏光状態を変化させることで、輝度情報を変化させ表示装置として機能している。そのため、液晶分子の配向方向は表示装置における画質性能の良し悪しを決定する要因の一つとなっている。またパネルを構成する複数のフィルムは等方性であったり、微小な位相差を持たせて異方性であったりする。しかしながら、フィルムや基板には歪みや応力により不要な異方性が生じたり、液晶ディスプレイにおいては液晶分子の配向不良により画質性能が劣化したりする。したがって、製造工程やそれらの材料を用いた組立工程ではフィルムや基板、液晶ディスプレイが要求される位相差であるか、液晶分子の配向状態が適正であるかを評価・検査する必要があり、また、そのための装置が必要となる。
【０００３】
例えば、上記のような装置として、特許文献１に示したようなものがある。これは２次元配列したＣＣＤ受光素子を用いて光束全体の偏光状態を検出する。
【０００４】
他の装置の例として、特許文献２に示したようなのもがある。これは偏光子アレイをエリアセンサに取り付けて、偏光状態を検出するものである。
【特許文献１】特開平１０−２９３０６５号公報（１９９８年１１月４日公開）
【特許文献２】特開２００７−２６３５９３号公報（２００７年１０月１１日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の従来技術では、いずれも、広範囲を高い測定精度で、且つ高速に検出することが困難である。
【０００６】
具体的には、特許文献１の装置では、測定の途中で検出のための光学素子を抜き差しする必要があり、高速検出を実現することができない。また、ＣＣＤ受光素子のサイズが規定されているため、一度に広範囲を検出することができない。
【０００７】
また、特許文献２の装置では、１ポイントの測定受光素子数が４×４の１６個で少ないため、ノイズが大きくなるという問題がある。また、仮に、受光素子数を増やしても、測定分解能が粗くなるという問題がある。更に、受光素子としてエリアセンサを用いた場合は、広範囲の検出を実施するためにステップ移動しながら撮像することになり、撮像した複数の画像を処理することになり、長い時間を費やすので、短時間検出ができない。また、特許文献２では、受光素子としてラインセンサを用いることも可能である点が記載されているが、特許文献２の偏光子アレイに転用しても、同様に１ポイントの測定受光素子数が１６個必要ならば、１６素子間隔で１ポイントの検出となるので分解能が粗くなる。また、１ポイントの測定受光素子数を少なくすれば、ノイズが大きくなる。さらに、偏光子アレイにフォトニック結晶を用いているが、これは動作波長帯域が狭い。そのため、液晶パネルなどに用いる場合、Ｒ（赤）・Ｇ（緑）・Ｂ（青）の全ての波長に対応させるためには、それぞれの波長域に対応するセンサを用意する必要があり、センサ台数が増えるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、被検出体（例えば、液晶パネル）の位相差や光軸方位の２次元分布を、広範囲で、且つ高精度、短時間に測定することができる偏光検出装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る、被検出体の偏光状態を検出するための第１の偏光検出装置は、上述した課題を解決するために、被検出体の偏光状態を検出するための偏光検出装置であって、
複数の位相子によって構成された位相子アレイと、偏光板と、上記被検出体から出射された光であって、上記位相子及び上記偏光板を透過した光を受光するイメージセンサとが設けられた検出光学手段、及び、上記イメージセンサの出力から、上記被検出体の偏光情報を算出する算出手段を備えており、上記位相子アレイは、Ｒ個（但し、Ｒは２以上の整数）の位相子が整列してなる１つの段に、所定の角度範囲内において、異なる進相軸角度を有した複数の上記位相子を有していることを特徴としている。
【００１０】
上記のように、本発明に係る第１の偏光検出装置は、上記位相子アレイが、Ｒ個（但し、Ｒは２以上の整数）の位相子が整列してなる１つの段に、所定の角度範囲内において、異なる進相軸角度を有した複数の上記位相子を有しているため、イメージセンサとして例えば時間遅延積分型イメージセンサを用いることによって、被検出体の位相差や光軸方位の２次元分布を、広範囲で、且つ高精度、短時間に測定することができる偏光検出装置を提供することができる。
【００１１】
時間遅延積分型イメージセンサは、積分方向に複数の受光素子が並んでいる。例えば、積分方向に５０個の受光素子が並んでいるとすると、連続移動によって、被検出体の１エリアを、５０個の受光素子で測定することになる。すなわち、被検出体の１エリアを５０回測定し、これを積分した情報を得ることができる。よって、本発明の第１の偏光検出装置は、ノイズが少なく、高い測定分解能での検出の実現に貢献することができる。
【００１２】
より具体的には、本発明に係る第１の偏光検出装置は、上記イメージセンサが、時間遅延積分型イメージセンサであり、上記偏光検出装置は、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に沿って上記時間遅延積分型イメージセンサと上記被検出体とを相対移動させるための走査ステージを更に備えており、上記段を構成する位相子の整列方向は、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に沿っていることが好ましい。
【００１３】
また、時間遅延積分型イメージセンサと上記被検出体とを相対移動させることによって、広範囲を短時間で測定することができる。
【００１４】
尚、上記「所定の角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有した上記領域」とは、例えば、後述するように０°から４５°までの角度範囲内において、上記段の一方の端から他方の端まで並んだ領域が、０°、３．７５°、７．５°、１１．２５°、１５°…のように基準軸からの角度が順次大きくなる（もしくは小さくなる）ように整列している場合と併せて、上記段の一方の端から、３．７５°、０°、７．５°、１５°、１１．２５°…のように、角度の大きさの順番を問わず整列している場合も含む。
【００１５】
また、本発明に係る第１の偏光検出装置は、上記の構成に加えて、上記１つの段を構成する位相子の整列方向に対して垂直な方向に、上記１つの段をＮつ（但し、Ｎは４以上の整数）並べて構成されるＲ×Ｎ個の領域からなる上記位相子アレイを、１つの組としたとき、上記位相子アレイは、上記組を、上記垂直な方向に複数有しており、上記位相子アレイのＬ（Ｌは１〜Ｎまでのいずれかの整数）段目の上記組が、基準軸を基準に（Ｌ−１）×１８０°／ＮからＬ×１８０°／Ｎまでの角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有している上記領域を含むことが好ましい。この点、換言すれば、上記位相子アレイの上記組が、基準軸を基準に０°から１×１８０°／Ｎまでの角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有している上記領域を含む第１の上記段と、基準軸を基準に１×１８０°／Ｎから２×１８０°／Ｎまでの角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有している上記領域を含む第２の上記段と、…、基準軸を基準に（Ｎ−１）×１８０°／Ｎから１８０°までの角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有している上記領域を含む第Ｎの上記段と、からなることが好ましい。
【００１６】
上記の構成を採用することにより、本発明に係る第１の偏光検出装置は、高い測定精度での検出を実現することができる。
【００１７】
また、本発明に係る第１の偏光検出装置は、上記位相子アレイの上記組が、基準軸を基準に０°から４５°までの角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有している上記領域を含む第１の上記段と、基準軸を基準に４５°から９０°までの角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有している上記領域を含む第２の上記段と、基準軸を基準に９０°から１３５°までの角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有している上記領域を含む第３の上記段と、基準軸を基準に１３５°から１８０°までの角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有している上記領域を含む第４の上記段とからなることがより好ましい。
【００１８】
上記の構成を採用することにより、本発明に係る第１の偏光検出装置は、上記位相子アレイの上記組を５つ以上の上記段から構成する場合と比較して、高い測定分解能を実現することができる。
【００１９】
例えば、ＴＤＩの１素子が１０×１０μｍの場合、１対１の光学系であれば、４段で１ポイントの測定が可能であるとすると、分解能は４０μｍとなります。一方、１６段必要であれば分解能は１６０μｍとなりますので、４段で１ポイントの測定を行う構成の場合は、高い測定分解能を実現することができます。
【００２０】
また、上記の構成において、上記算出手段が、上記第１の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第２の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第３の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第４の段で受光された光に基づいた上記出力とに基づいて、上記被検出体の偏光情報を算出することが好ましい。
【００２１】
しかしながら、本発明は上記の４段の構成に限定されるものではなく、次のような５段の構成であってもよい。すなわち、本発明に係る第１の偏光検出装置は、上記位相子アレイの上記組が、基準軸を基準に０°から３６°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第１の上記段と、基準軸を基準に３６°から７２°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第２の上記段と、基準軸を基準に７２°から１０８°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第３の上記段と、基準軸を基準に１０８°から１４４°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第４の上記段と、基準軸を基準に１４４°から１８０°までの角度範囲内において、異なる進相軸角度を有している上記位相子を含む第５の上記段とからなってもよい。
【００２２】
また、この５段の構成において、上記算出手段は、上記第１の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第２の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第３の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第４の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第５の段で受光された光に基づいた上記出力とに基づいて、上記被検出体の偏光情報を算出することが好ましい。
【００２３】
また、本発明に係る第１の偏光検出装置は、上記の構成に加えて、上記位相子アレイが、周期的な凹凸構造を形成したものであることが好ましい。
【００２４】
通常の位相子は水晶などの自然界にある結晶で製作するため、進相軸の方向に分布を持たせることはできない。ところが、本発明の上記構成によれば、凹凸構造を設けているので、これにより、進相軸の方向をコントロールして製作することができ、進相軸の方向に分布を持たせることができる。
【００２５】
また、本発明に係る第１の偏光検出装置は、上記の構成に加えて、上記位相子アレイは、一方の面に周期的な凹凸構造が形成されており、他方の面あるいは一方の面の上部にワイヤーグリッドを形成することによって上記偏光板の機能を実現していることが好ましい。
【００２６】
上記の構成を採用することにより、位相子アレイと、偏光板とを別体で設置する構成と比較して、偏光板の機能をワイヤーグリッドで位相子アレイの裏面に直接実現（製作）することができ、光学素子が１枚で済むので、透過光量の確保、装置のコンパクト化を実現することができる。
【００２７】
また、上記の構成において、上記位相子アレイが液晶パネルであってもよい。
【００２８】
また、上記位相子アレイは、所定の角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有した複数の位相子からなってもよく、上記段を構成する上記位相子のいずれもが、互いに異なる進相軸角度を有していてもよい。
【００２９】
また、本発明に係る、被検出体の偏光状態を検出するための第２の偏光検出装置は、上述した課題を解決するために、被検出体の偏光状態を検出するための偏光検出装置であって、複数の偏光子によって構成された偏光子アレイと、上記被検出体から出射された光であって、上記偏光子を透過した光を受光するイメージセンサとが設けられた検出光学手段、及び、上記イメージセンサの出力から、上記被検出体の偏光情報を算出する算出手段を備えており、上記偏光子アレイは、Ｒ個（但し、Ｒは２以上の整数）の偏光子が整列してなる１つの段に、所定の角度範囲内において、異なる透過軸角度を有した複数の上記偏光子を有していることを特徴としている。
【００３０】
上記のように、本発明に係る第２の偏光検出装置は、上記偏光子アレイが、Ｒ個（但し、Ｒは２以上の整数）の偏光子が整列してなる１つの段に、所定の角度範囲内において、異なる透過軸角度を有した複数の上記偏光子を有しているため、イメージセンサとして例えば時間遅延積分型イメージセンサを用いることによって、被検出体の位相差や光軸方位の２次元分布を、広範囲で、且つ高精度、短時間に測定することができる偏光検出装置を提供することができる。
【００３１】
時間遅延積分型イメージセンサは、積分方向に複数の受光素子が並んでいる。例えば、積分方向に５０個の受光素子が並んでいるとすると、連続移動によって、被検出体の１エリアを、５０個の受光素子で測定することになる。すなわち、被検出体の１エリアを５０回測定し、これを積分した情報を得ることができる。よって、本発明の第２の偏光検出装置は、ノイズが少なく、高い測定分解能での検出の実現に貢献することができる。
【００３２】
より具体的には、本発明に係る第２の偏光検出装置は、上記イメージセンサが、時間遅延積分型イメージセンサであり、上記偏光検出装置は、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に沿って上記時間遅延積分型イメージセンサと上記被検出体とを相対移動させるための走査ステージを更に備えており、上記段を構成する偏光子の整列方向は、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に沿っていることが好ましい。
【００３３】
また、時間遅延積分型イメージセンサと上記被検出体とを相対移動させることによって、広範囲を短時間で測定することができる。
【００３４】
尚、上記「所定の角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有した上記領域」とは、例えば、後述するように０°から４５°までの角度範囲内において、上記段の一方の端から他方の端まで並んだ領域が、０°、３．７５°、７．５°、１１．２５°、１５°…のように基準軸からの角度が順次大きくなる（もしくは小さくなる）ように整列している場合と併せて、上記段の一方の端から、３．７５°、０°、７．５°、１５°、１１．２５°…のように、角度の大きさの順番を問わず整列している場合も含む。
【００３５】
また、本発明に係る第２の偏光検出装置は、上記の構成に加えて、上記１つの段を構成する偏光子の整列方向に対して垂直な方向に、上記１つの段をＮつ（但し、Ｎは４以上の整数）並べて構成されるＲ×Ｎ個の領域からなる上記偏光子アレイを、１つの組としたとき、上記偏光子アレイは、上記組を、上記垂直な方向に複数有しており、上記偏光子アレイのＬ（Ｌは１〜Ｎまでのいずれかの整数）段目の上記組が、基準軸を基準に（Ｌ−１）×１８０°／ＮからＬ×１８０°／Ｎまでの角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有している上記領域を含むことが好ましい。この点、換言すれば、上記位相子アレイの上記組が、基準軸を基準に０°から１×１８０°／Ｎまでの角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有している上記領域を含む第１の上記段と、基準軸を基準に１×１８０°／Ｎから２×１８０°／Ｎまでの角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有している上記領域を含む第２の上記段と、…、基準軸を基準に（Ｎ−１）×１８０°／Ｎから１８０°までの角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有している上記領域を含む第Ｎの上記段とからなることが好ましい。
【００３６】
上記の構成を採用することにより、本発明に係る第２の偏光検出装置は、高い測定精度での検出を実現することができる。
【００３７】
また、本発明に係る第２の偏光検出装置は、上記の構成に加えて、上記偏光子アレイの上記組が、基準軸を基準に０°から４５°までの角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有している上記領域を含む第１の上記段と、基準軸を基準に４５°から９０°までの角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有している上記領域を含む第２の上記段と、基準軸を基準に９０°から１３５°までの角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有している上記領域を含む第３の上記段と、基準軸を基準に１３５°から１８０°までの角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有している上記領域を含む第４の上記段とからなることが好ましい。
【００３８】
上記の構成を採用することにより、本発明に係る第２の偏光検出装置は、上記偏光子アレイの上記組を５つ以上の上記段から構成する場合と比較して、高い測定分解能を実現することができる。
【００３９】
例えば、ＴＤＩの１素子が１０×１０μｍの場合、１対１の光学系であれば、４段で１ポイントの測定が可能であるとすると、分解能は４０μｍとなります。一方、１６段必要であれば分解能は１６０μｍとなりますので、４段で１ポイントの測定を行う構成の場合は、高い測定分解能を実現することができます。
【００４０】
また、本発明に係る第２の偏光検出装置は、上記の構成に加えて、上記算出手段は、上記第１の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第２の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第３の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第４の段で受光された光に基づいた上記出力とに基づいて、上記被検出体の偏光情報を算出することが好ましい。
【００４１】
しかしながら、本発明は上記の４段の構成に限定されるものではなく、次のような５段の構成であってもよい。すなわち、本発明に係る第２の偏光検出装置は、上記偏光子アレイの上記組が、基準軸を基準に０°から３６°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記位相子を含む第１の上記段と、基準軸を基準に３６°から７２°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記位相子を含む第２の上記段と、基準軸を基準に７２°から１０８°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記位相子を含む第３の上記段と、基準軸を基準に１０８°から１４４°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記位相子を含む第４の上記段と、基準軸を基準に１４４°から１８０°までの角度範囲内において、異なる透過軸角度を有している上記位相子を含む第５の上記段とからなってもよい。
【００４２】
また、この５段の構成において、上記算出手段は、上記第１の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第２の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第３の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第４の段で受光された光に基づいた上記出力と、上記第５の段で受光された光に基づいた上記出力とに基づいて、上記被検出体の偏光情報を算出することが好ましい。
【００４３】
また、本発明に係る第２の偏光検出装置は、上記の構成に加えて、上記偏光子アレイが、上記偏光子アレイは、基板の一方の面にワイヤーグリッドを形成することによって、偏光機能を実現しているものであることが好ましい。
【００４４】
上記偏光子アレイは、所定の角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有した複数の偏光子からなってもよく、上記段を構成する上記偏光子のいずれもが、互いに異なる透過軸角度を有していてもよい。
【００４５】
また、本発明には、次の第１の検出光学素子も含まれる。すなわち、本発明に係る第１の検出光学素子は、被検出体の偏光状態を検出するための偏光検出装置に設けられる検出光学素子であって、上記検出光学素子は、Ｒ個（但し、Ｒは２以上の整数）の位相子が整列してなる１つの段に、所定の角度範囲内において、異なる進相軸角度を有した複数の上記位相子を有している位相子アレイであることを特徴している。
【００４６】
また、本発明には、次の第２の検出光学素子も含まれる。すなわち、本発明に係る第１の検出光学素子は、Ｒ個（但し、Ｒは２以上の整数）の偏光子が整列してなる１つの段に、所定の角度範囲内において、異なる進相軸角度を有した複数の偏光子を有している偏光子アレイであることを特徴としている。
【００４７】
これら第１及び第２の偏光検出素子によれば、被検出体（例えば、液晶パネル）の位相差や光軸方位の２次元分布を、広範囲で、且つ高精度、短時間に測定することができる。
【００４８】
また、本発明には、次の第１の偏光検出方法も含まれる。すなわち、本発明に係る第１の偏光検出方法は、被検出体の偏光状態を検出するための偏光検出方法であって、被写体から出射された光を、所定の角度範囲内において、異なる進相軸角度を有した複数の位相子を有した位相子アレイに透過させた後、偏光板に透過させて、上記偏光板に透過させた光を、イメージセンサに受光させ、上記イメージセンサからの出力を、上記被検出体の偏光情報を算出するための算出手段に入力させて、被検出体の偏光状態を検出することを特徴としている。
【００４９】
また、本発明には、次の第２の偏光検出方法も含まれる。すなわち、本発明に係る第２の偏光検出方法は、被検出体の偏光状態を検出するための偏光検出方法であって、被写体から出射された光を、所定の角度範囲内において、異なる進相軸角度を有した複数の偏光子を有した偏光子アレイに透過させ、上記偏光子アレイに透過させた光を、イメージセンサに受光させ、上記イメージセンサからの出力を、上記被検出体の偏光情報を算出するための算出手段に入力させて、被検出体の偏光状態を検出することを特徴している。
【００５０】
これら第１及び第２の偏光検出方法によれば、被検出体（例えば、液晶パネル）の位相差や光軸方位の２次元分布を、広範囲で、且つ高精度、短時間に測定することができる。
【発明の効果】
【００５１】
本発明に係る第１の偏光検出装置は、以上のように、透過軸を有する複数の領域によって構成された偏光子アレイと、上記被検出体から出射された光であって、上記偏光子アレイを透過した光を受光する時間遅延積分型イメージセンサとが設けられた検出光学手段、上記時間遅延積分型イメージセンサで受光された光に基づいた該時間遅延積分型イメージセンサの出力から、上記被検出体の偏光情報を算出する算出手段、及び、上記検出光学手段を上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に沿って連続移動走査させるための走査ステージを備えており、上記偏光子アレイは、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に整列したＲ個（但し、Ｒは複数）の上記領域からなる段を上記積分方向に垂直な方向にＮつ（但し、Ｎは４以上の整数）整列して、このＲ×Ｎ個の領域からなるアレイを１つの組としたとき、各上記段は、所定の角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有した上記領域からなり、且つ、上記組が、上記垂直な方向に沿って複数設けられており、上記時間遅延積分型イメージセンサは、上記偏光子アレイの各上記領域を透過した光を受光する複数の受光素子を有していることを特徴としている。また、本発明に係る第２の偏光検出装置は、以上のように、進相軸を有する複数の領域によって構成された位相子アレイと、偏光板と、上記被検出体から出射された光であって、上記位相子アレイ及び上記偏光板を透過した光を受光する時間遅延積分型イメージセンサとが設けられた検出光学手段、上記時間遅延積分型イメージセンサで受光された光に基づいた該時間遅延積分型イメージセンサの出力から、上記被検出体の偏光情報を算出する算出手段、及び、上記検出光学手段を上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に沿って連続移動走査させるための走査ステージを備えており、上記位相子アレイは、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に整列したＲ個（但し、Ｒは複数）の上記領域からなる段を上記積分方向に垂直な方向にＮつ（但し、Ｎは４以上の整数）整列して、このＲ×Ｎ個の領域からなるアレイを１つの組としたとき、各上記段は、所定の角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有した上記領域からなり、且つ、上記組が、上記垂直な方向に沿って複数設けられており、上記時間遅延積分型イメージセンサは、上記偏光子アレイの各上記領域を透過した光を受光する複数の受光素子を有していることを特徴としている。また、本発明に係る第１の検出光学素子は、以上のように、透過軸を有する複数の領域によって構成された偏光子アレイと、上記被検出体から出射された光であって、上記偏光子アレイを透過した光を受光する時間遅延積分型イメージセンサと、上記偏光子アレイ及び上記時間遅延積分型イメージセンサを一体的に、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に沿って連続移動走査させるための走査ステージとを備えており、上記偏光子アレイは、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に整列したＲ個（但し、Ｒは複数）の上記領域からなる段を上記積分方向に垂直な方向にＮつ（但し、Ｎは４以上の整数）整列して、このＲ×Ｎ個の領域からなるアレイを１つの組としたとき、各上記段は、所定の角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有した上記領域からなり、且つ、上記組が、上記垂直な方向に沿って複数設けられており、上記時間遅延積分型イメージセンサは、上記偏光子アレイの各上記領域を透過した光を受光する複数の受光素子を有していることを特徴としている。また、本発明に係る第２の検出光学素子は、以上のように、被検出体の偏光状態を検出するための偏光検出装置に設けられる第２の検出光学素子として、進相軸を有する複数の領域によって構成された位相子アレイ、及び偏光板と、上記被検出体から出射された光であって、上記位相子アレイ及び上記偏光板を透過した光を受光する時間遅延積分型イメージセンサと、上記位相子アレイ、上記偏光板及び上記時間遅延積分型イメージセンサを一体的に、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に沿って連続移動走査させるための走査ステージとを備えており、上記位相子アレイは、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向に整列したＲ個（但し、Ｒは複数）の上記領域からなる段を上記積分方向に垂直な方向にＮつ（但し、Ｎは４以上の整数）整列して、このＲ×Ｎ個の領域からなるアレイを１つの組としたとき、各上記段は、所定の角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有した上記領域からなり、且つ、上記組が、上記垂直な方向に沿って複数設けられており、上記時間遅延積分型イメージセンサは、上記偏光子アレイの各上記領域を透過した光を受光する複数の受光素子を有していることを特徴としている。
【００５２】
以上の構成とすれば、被検出体の位相差や光軸方位の２次元分布を、広範囲で、且つ高精度、短時間に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態を図１から図７に基づいて説明する。尚、以下の説明では、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は以下の実施の形態及び図面に限定されるものではない。
【００５４】
図１に本発明における偏光検出装置３０の構成を示している。偏光検出装置３０は、検出光学手段１からの出力により偏光状態を計算する計算処理手段２（算出手段）と接続されている。また検出光学手段１は走査ステージ３に固定されている。試料４（被検出体）は検出光学手段１の前面に設置されている。
【００５５】
図２に、上記検出光学手段１の具体的な構成を示している。検出光学手段１は、図２に示すように、時間遅延積分型（ＴＤＩ：Time Delay Integration）イメージセンサ５と、その前面にある偏光子アレイ７とからなる。
【００５６】
ＴＤＩイメージセンサ５の出力は、偏光状態を計算する計算処理手段２に送られる。図２ではＴＤＩイメージセンサと偏光子アレイ７は離れて設置しているが、密着させて設置させてもよい。密着させて設置することによって、偏光検出装置をコンパクトにすることができる。
【００５７】
ここで、ＴＤＩイメージセンサ５について説明する。ＴＤＩイメージセンサ５とは、１列目の受光素子が取得した１次元データに、隣接する列（２列目）のセンサが同じ場所を撮像した１次元のデータが加算されていく。これを次々にＴＤＩの列の数だけ繰り返していく。そのため、ＴＤＩセンサではラインセンサと同じ走査速度であれば、ラインセンサの露光時間に比べＴＤＩのセンサの列の数の倍だけ露光時間を長くした撮像結果が得られる。例えば、図２に示す列ａ１が撮像した１次元データに、列ａ２が同じ箇所を撮像した１次元データを加算していく。更に、列ａ３も同じ箇所を撮像した１次元データが加算されていく。このようにして積算スピードと試料４の走査スピードを等しく設定してやれば、１枚の画像データを取得することができる。
【００５８】
図１においては、走査ステージ３で試料４の測定面と平行な方向である図示するＸ軸方向（ＴＤＩイメージセンサ５の積分方向）に走査することで、試料４の測定面全体を検出することができる。図１では検出光学手段１を走査ステージ３の上に固定して走査したが、検出光学手段１と試料４とが相対移動すればよいため、検出光学手段１を固定し試料４を走査ステージ３に搭載して走査させてもよく、検出光学手段１と試料４とがそれぞれ図示しない走査手段を用いて移動するように構成してもよい。また、連続移動に限定されるものでもなく、ステップ移動であってもよい。
【００５９】
次に偏光子アレイ７について説明する。図３にまず偏光子（偏光子アレイの領域）の構成を示す。図３の８は偏光子を示している。今、Ｘ軸方向とＺ軸方向に振動している成分を有している光が偏光子８に入射したとする。その透過光についてＸ軸方向に振動する成分のみになったとする。このように振動方向によって光が透過したり透過しなかったりする素子を偏光子と呼ぶ。そして偏光子８のように、Ｚ軸方向に振動する成分のみが偏光子８を透過する場合、Ｚ軸方向を偏光子８の透過軸方向と呼ぶことにする。
【００６０】
このように偏光子８のような光学的機能を有したものをアレイ状に配列したものが、偏光子アレイ７である。
【００６１】
偏光子アレイ７は、各アレイでは図３で示した透過軸方向が異なるように製作されている。各偏光子の透過軸については次に説明する。
【００６２】
図４に偏光子アレイ７の各透過軸方向を示した概略図を示す。偏光子アレイ７の各偏光子に表記している矢印の向きが透過軸の向きを示す。素子のＸ軸の方向、すなわちＴＤＩイメージセンサ５が検出輝度を積算していく方向に透過軸が連続的に変化している。図４の段ｂ１（第１の段）は、Ｚ軸（基準軸）を０°として０°から４５°まで、段ｂ２（第２の段）は、Ｚ軸（基準軸）を０°として、４５°から９０°まで、段ｂ３（第３の段）は、Ｚ軸（基準軸）を０°として、９０°から１３５°、段ｂ４（第４の段）は、Ｚ軸（基準軸）を０°として、１３５°から１８０°まで、の角度範囲内において互いに異なる透過軸の角度を有した偏光子８が並んでいる。段ｂ４より下は透過軸の方向は図示しないが、段ｂ１、段ｂ２、段ｂ３及び段ｂ４を１組として、この組が複数配置されている。
【００６３】
偏光子アレイ７とＴＤＩイメージセンサ５との光学的な位置関係は、偏光子アレイ７の各アレイがＴＤＩイメージセンサ５の各受光素子に対応している。すなわち、偏光子アレイ７の各アレイを透過した光はそれぞれ１つ１つの受光素子で検出されるように配置する。また、段ｂ１、ｂ２などの各段が、ＴＤＩイメージセンサ５の検出輝度の積分方向と一致するように配置する。図４において偏光子アレイ７のアレイ数はＴＤＩイメージセンサ５の受光素子数に等しく製作されているほうが好ましい。そのため図４において、偏光子アレイ７の各段の分割数は１２で図示しているがこれに限定されるわけではない。またＺ軸方向にも分割数は、図４で示されるような分割数に限定されるわけではなく、ＴＤＩイメージセンサ５の受光素子数と同数であることが好ましい。
【００６４】
上記のような偏光検出装置３０を用いて試料４（図１）の偏光状態の測定方法を以下に説明する。まずは、測定方法の一例を示し、続いて、本実施形態の測定方法について説明する。
【００６５】
図５に、偏光測定の一例を示した光学系の概略図を示す。偏光測定とは試料透過光のストークスパラメータを求めることで、試料を透過することでストークスパラメータの変化から試料の特性情報を得ることである。ストークスパラメータとは以下の式（１）〜式（４）で表されるＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３で表記される。
【００６６】
【数１】
2009168795.tif 000003
【００６７】
【数２】
2009168795.tif 000004
【００６８】
【数３】
2009168795.tif 000005
【００６９】
【数４】
2009168795.tif 000006
【００７０】
尚、Ｅｘ、Ｅｚは図５におけるＸ軸方向、Ｚ軸方向の光の電場振幅を示し、Δは、ＥｘとＥｚの位相差を示す。
【００７１】
そこで、試料透過光のストークスパラメータを測定する。図５は透過光モデルを説明している。光学系として、光源１０、偏光板１１、１/４波長板１２、サンプル１３、偏光板１４、検出器１６の順に配列されている。光源１０は白色光、単色光のどちらでもかまわないが、単色光の方が１つの波長による解析となるので、計算が容易である。光源１０からの光は偏光板１１、１/４波長板を透過して円偏光となり、サンプル１３に入射する。サンプル１３に入射される光はこの図５では円偏光となるが、直線偏光でもかまわない。直線偏光を入射する場合は、１/４波長板１２は必要ない。サンプル１３を透過した光は偏光板１４を通過して、検出器１６にてその強度が検出される。
【００７２】
測定方法としては偏光板１４を回転しながら強度を検出していく。偏光板１４の回転角をＣとすると、検出強度Ｉ（Ｃ）は、以下の式（５）
【００７３】
【数５】
2009168795.tif 000007
【００７４】
で表すことができる。
【００７５】
ここで、Ｉ０は規格化強度で通常はＩ０=１とする。係数α１、α２は試料からの透過光のストークスパラメータ（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）のうちＳ０、Ｓ１、Ｓ２で表記されるので、係数α１、α２を求めればよい。求める方法としては、検出強度Ｉ（Ｃ）をフーリエ変換する方法や、以下に示すような積分強度から求める方法もある。
【００７６】
【数６】
2009168795.tif 000008
【００７７】
式（６）によりＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４を定義すると、α１、α２は以下の式（７）、（８）
【００７８】
【数７】
2009168795.tif 000009
【００７９】
【数８】
2009168795.tif 000010
【００８０】
のように表すことができる。
【００８１】
上記のようにして、検出された強度から式（６）により積分強度Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４を求めると、α１、α２が求まり、透過光のストークスパラメータのＳ０、Ｓ１、Ｓ２を求めることができる。ここでストークスパラメータのＳ３を求めていないが、Ｓ３の値が求まらなくても試料の物理情報である異方性の大きさとその光軸方向を求めることができる。但し、Ｓ３が求まらないと、検出できる位相差の範囲が小さい。
【００８２】
図５に示す方法では偏光板１４を回転する必要があるため、短時間計測はできない。そこで、本実施形態の偏光検出装置３０を使用する。
【００８３】
本実施形態の偏光検出装置３０では、図５の偏光板１４に相当する素子が図４の偏光子アレイ７に、図５の検出器１６が図４のＴＤＩイメージセンサ５に相当する。図５を用いて説明した方法で偏光板１４の回転は図４で示した偏光子アレイ７の各段に構成される各偏光子の各透過軸に相当する。よって、図４の段ｂ１の各偏光子を透過した光は、図５の偏光板１４を０°から４５°に回転した場合の光と同等となる。そこで、上記式（６）で示した積分を求めるには、図４の段ｂ１を透過した光の強度を全て加算すればよい。ここで、ＴＤＩイメージセンサ５の出力は、同一箇所を検出した段ｂ１の出力を加算したものであるから、積分値そのものとなる。実際は、ＴＤＩイメージセンサ５で段ｂ１の出力をＢ１とすると、式（６）に相当する積分強度Ｉ１’は、以下の式（９）で表すことができる。
【００８４】
【数９】
2009168795.tif 000011
【００８５】
ここで、δｂとは、隣接する偏光子間の透過軸の角度差である。
【００８６】
上記のようにして、段ｂ２、段ｂ３、段ｂ４からの出力をＢ２、Ｂ３、Ｂ４とすると、式（６）に相当する積分強度Ｉ２’、Ｉ３’、Ｉ４’は以下の式（１０）〜（１２）
【００８７】
【数１０】
2009168795.tif 000012
【００８８】
【数１１】
2009168795.tif 000013
【００８９】
【数１２】
2009168795.tif 000014
【００９０】
で表すことができる。
【００９１】
式（９）から式（１２）で求めたＩ１’、Ｉ２’、Ｉ３’、Ｉ４’から、式（７）、（８）を用いて検出強度Ｉの係数α１、α２を算出し、試料透過光のストークスパラメータのＳ０、Ｓ１、Ｓ２を求めることができる。試料透過光のストークスパラメータは、計算処理手段２によって求める。計算処理手段２は、上記した演算を行う装置本体であってもよく、または、上記したような演算を行うプログラムを、外部コンピューターに組み込むことによって、その外部コンピューターを上記計算処理手段２として動作させるものであってよい。
【００９２】
本実施形態の偏光検出装置３０では、光学素子の回転、挿入などの駆動部が無いため、短時間での測定が可能である。またＴＤＩイメージセンサ５からの出力が強度の加算なので、計算処理手段２への負担が小さくなり、計算時間が短くなる。更にＴＤＩイメージセンサは走査型センサなので、撮像しながらの走査により、広範囲な測定が可能となる。
【００９３】
尚、本実施形態で用いることができる偏光子アレイは、図４に示したものに限定されない。例えば、図６のようなものでも良い。すなわち、図４に示す偏光子アレイ７では、段ｂ１を構成する偏光子の各々の透過軸は、その角度が、段ｂ１の一方の端から他方の端まで連続的に変化している。これに対して、図６に示す偏光子アレイ７’は、段ｂ１’を構成する偏光子の各々の透過軸は、その角度が、段ｂ１’の一方の端から他方の端まで連続して変化していない。すなわち、本実施形態で採用することができる偏光子アレイは、１つの段が、０°から４５°までの角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有している偏光子によって構成されていればよい。また列方向（積分方向に垂直な方向）の並びも、図４ではｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４であったがこれに限定されるわけではない。図６のようにｂ１’、ｂ２’、ｂ４’、ｂ３’のように順番が入れ替わっていても良い。
【００９４】
また図７のようにＴＤＩイメージセンサ５の受光素子１つ１つに異なる透過軸方向（偏光軸角度）を持つ偏光子アレイ７を割り当てる必要は無い。図７では、積分方向に受光素子２つ分は等しい透過軸方向を持つ偏光子アレイを割り当てている。しかしながら、透過軸方向はより細かくして割り当てた方が、測定精度が向上するので、できるだけ細かく分割して検出した方がよい。
【００９５】
本実施形態の偏光子アレイ７は、ワイヤーグリッドで製作することができる。ワイヤーグリッドとは、線幅が数十ｎｍ、ピッチが百数十ｎｍで形成された金属の線が並んだ構造である。金属は主にアルミなどを用いることができる。偏光子アレイ７は、基板（例えば、ガラス）表面に、ワイヤーグリッドを形成すればよい。この素子は線方向に垂直な方向が光の透過軸となる。ワイヤーグリッドで製作した偏光子は、通常の偏光板より透過率が大きくなる。金属線の方向は自由に設定できるので、偏光子アレイの透過軸方向を自由に設定できることになり、本実施形態の偏光子アレイとして好適である。また、可視光領域全体で偏光子として動作するので、検出波長の選択をする必要は無い。
【００９６】
以上のように、本実施形態における偏光検出装置３０は、透過軸を有する複数の偏光子８によって構成された偏光子アレイ７と、試料４から出射された光であって、偏光子アレイ７を透過した光を受光するＴＤＩイメージセンサ５とが設けられた検出光学手段１、ＴＤＩイメージセンサ５で受光された光に基づいたＴＤＩイメージセンサ５の出力から、試料４の偏光情報を計算する計算処理手段２、及び、検出光学手段１をＴＤＩイメージセンサ５の積分方向に沿って試料と相対移動走査させるための走査ステージ３を備えており、偏光子アレイ７は、ＴＤＩイメージセンサの積分方向に整列した１２個の偏光子からなる段を上記積分方向に垂直な方向に４つ整列して、これを１つの組としたとき、各段は、上述したように所定の角度範囲内において互いに異なる透過軸角度を有した偏光子からなり、且つ、上記組が、上記垂直な方向に沿って複数設けられており、ＴＤＩイメージセンサは、偏光子アレイ７の各偏光子８を透過した光を受光する複数の受光素子を有している。これにより、試料４の位相差や光軸方位の２次元分布を、広範囲で、且つ高精度、短時間に測定することができる偏光検出装置を提供することができる。本実施形態に用いるＴＤＩイメージセンサとしては、例えば、９６段まで積算するセンサを用いることができる。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、より多くの段を積算するセンサを用いれば、より好ましい。
【００９７】
尚、本実施形態では、計算処理手段２と、検出光学手段１及び走査ステージ３（検出光学素子）とを別体で構成してもよい。
【００９８】
また、本形態では、各段を構成する偏光子のいずれもが、互いに異なる透過軸角度を有している構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、或る段を構成する偏光子の一部は、互いに透過軸角度が等しくてもよい。しかし、一部に同じ透過軸角度の偏光子がある場合、異なる角度によって作成される積分強度の値は真の値とは異なる結果が得られるので、検出精度は劣化する。但し、検出精度の劣化が許容される範囲であれば、一部に同じ方向が含まれていても、特には問題ないと考えても良い。また同じ角度の偏光子を予め把握しているのであれば、その角度の検出強度を積分強度から引いたり、積分強度に加えずに破棄したりして対応すれば、全て異なる方向で作成した積分強度と同様の結果を得ることが可能である。
【００９９】
また、本実施形態では、０°から１８０°までを４分割した構成について説明したが、分割数は４以上であればよい。これは、上述したストークスパラメータが４つ（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）あるため、最低４段は必要となる。すなわち、５分割してｂ１’、ｂ２’、ｂ３’、ｂ４’、ｂ５’を検出してより精度良く検出方法もある。この場合、偏光子アレイ７は５段分で１ポイントの計測を行うような構成になる。
【０１００】
また、本形態では、図４に示した段ｂ１、段ｂ２、段ｂ３及び段ｂ４を１組として、段ｂ４より下に、この組が複数配置されている点を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、１ポイントの計測で十分な場合には、偏光子アレイは上記４分割ないし５分割の１組だけでも良く、１ポイントを計測する（すなわち、点計測）するのみで良い場合は、そもそも走査をする必要もない。一方、上記１組だけで構成して、これを走査すれば、ライン計測（すなわち、線計測）が可能であり、このライン計測を実現する他の方法としては、１つの上記段から上記１組を構成し、当該組を複数設けることによってもライン計測を実現することができる。また、さらに広い範囲、すなわち２次元領域を計測（すなわち、面計測）するための方法としては、（１）１組を２次元走査する、（２）１つの上記段から上記１組を構成し、当該組を複数設けて、これを１次元走査する、あるいは、（３）図４に示したような複数の段を１組として、当該組が複数設けた構成、がある。
【０１０１】
更にワイヤーグリッド素子だけではなく、フォトニック結晶で製作した偏光子アレイを用いてもよい。フォトニック結晶を用いると、動作帯域幅が５０ｎｍと狭いが、特定波長の検出に限定することが可能であればフォトニック結晶を用いても良い。
【０１０２】
また、本形態の偏光検出装置は、図１のように試料透過光の偏光状態を検出した。しかしながら、本発明はこれに限定したものではなく、試料反射光の偏光状態を検出しても、同様の検出を行うことができる。但し、検出強度Ｉ（Ｃ）の係数α１、α２と試料の物性情報との関係式が異なるので注意する必要がある。また試料の透過光を検出する場合、物性情報は試料の厚み方向の積分値となることに注意する必要があり、試料からの反射光を検出する場合には試料への入射角の設定によっては、試料表面の物性情報を検出することになる。
【０１０３】
また、本実施形態における偏光検出装置は、次の点を特徴としていると換言することができる。すなわち、偏光検出装置は、
（１）透過軸方向が異なる複数の偏光子を有する偏光子アレイと、上記偏光子アレイと偏光板を透過した光を検出する時間遅延積分型イメージセンサとを有した検出光学手段と、時間遅延積分型イメージセンサからの出力から偏光情報を計算する計算処理手段と検出光学手段を走査する走査ステージを備え、上記偏光子アレイの各アレイを透過した光は上記時間遅延積分型イメージセンサの各受光素子で独立して受光し、上記偏光子アレイは上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向の段には透過軸方向が連続的に変化した領域を含むアレイで構成され、上記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向と垂直な方向には周期的に透過軸方向が変化していることを特徴としていると換言することができる。また、この（１）において、
（２）上記偏光子アレイは、１段目は透過軸の方向が０°から４５°まで変化したアレイで構成され、2段目は４５°から９０°まで透過軸の方向が変化したアレイで構成され、３段目は９０°から１３５°まで透過軸の方向が変化したアレイで構成され、４段目は１３５°から１８０°まで透過軸の方向が変化したアレイで構成されており、５段目以降は１段目から４段目までの偏光子アレイの構成が繰り返されていることが好ましい。また、この（１）・（２）において、
（３）上記偏光検出装置は上記偏光子アレイの１段目からの出力と、上記偏光子アレイの２段目からの出力と、上記偏光子アレイの３段目からの出力と、上記偏光子アレイの４段目からの出力により偏光状態を特定することが好ましい。
【０１０４】
〔実施の形態２〕
本発明に係る他の実施形態について、図８から図１４に基づいて説明すれば以下の通りである。尚、本実施形態では、上記実施の形態１との相違点について説明するため、説明の便宜上、実施の形態１で説明した部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。
【０１０５】
本実施形態は、上記実施の形態１の図１に示した検出光学手段１が、以下に説明するように異なっている。
【０１０６】
図８は、本実施形態の偏光検出装置に設けられた検出光学手段１’の具体的な構成を示した図である。
【０１０７】
本実施形態で採用される検出光学手段１’は、図８に示すように、ＴＤＩイメージセンサ５と、その前面に配置された偏光板６０及び位相子アレイ７０とからなる。図８に示すように、光入射側に位相子アレイ７０が配置され、その後方に、偏光板６０が配置される。すなわち、偏光板６０は、位相子アレイ７０とＴＤＩイメージセンサ５との間に配置されている。ＴＤＩイメージセンサの出力は、実施の形態１と同じく計算処理手段２に送られる。図８では、ＴＤＩイメージセンサ５と、偏光板６０と、位相子アレイ７０とは、互いに離れて設置されているが、密着させて設置させてもよい。密着させて設置することによって、偏光検出装置をコンパクトにすることができる。尚、ＴＤＩイメージセンサ５は、上記実施の形態１と同じであるため、説明は省略する。
【０１０８】
本実施形態も上記実施の形態１と同じく、検出光学手段１と試料４とが相対移動すればよいため、検出光学手段１’を走査ステージ３（図１）を用いて走査してもよく、検出光学手段１’を固定し試料４（図１）を走査ステージ３に搭載して走査させてもよく、検出光学手段１と試料４とがそれぞれ図示しない走査手段を用いて移動するように構成してもよい。また、連続移動に限定されるものでもなく、ステップ移動であってもよい。
【０１０９】
次に位相子アレイ７０について説明する。図９にまず位相子（位相子アレイの領域）の構成を示す。図９の８０は位相子を示している。今、Ｘ軸方向とＺ軸方向に振動している成分を有し、その位相が等しい光が位相子８０に入射したとする。その透過光についてＸ軸方向とＺ軸方向に振動する成分の位相差がφになったとする。このように振動方向によって光の速さが異なり位相差を与える素子を位相子と呼ぶ。そして位相子８０のように、Ｘ軸方向に振動する成分の位相がZ軸方向に振動する成分の位相よりも進んでいる場合、Ｘ軸方向を位相子８０の進相軸方向と呼ぶことにする。
【０１１０】
このように位相子８０のような光学的機能を有したものをアレイ状に配列したものが、位相子アレイ７０である。
【０１１１】
位相子アレイ７０は、各アレイでは図９で示した進相軸方向が異なるように製作されている。各位相子の進相軸については次に説明する。
【０１１２】
図１０に位相子アレイ７０の各進相軸方向を示した概略図を示す。位相子アレイ７０の各位相子に表記している矢印の向きが進相軸の向きを示す。素子のＸ軸の方向、すなわちＴＤＩイメージセンサ５が検出輝度を積算していく方向に進相軸が連続的に変化している。図１０の段ｂ１（第１の段）は、Ｚ軸（基準軸）を０°として０°から４５°まで、段ｂ２（第２の段）は、Ｚ軸（基準軸）を０°として、４５°から９０°まで、段ｂ３（第３の段）は、Ｚ軸（基準軸）を０°として、９０°から１３５°、段ｂ４（第４の段）は、Ｚ軸（基準軸）を０°として、１３５°から１８０°まで、の角度範囲内において互いに異なる進相軸の角度を有した位相子８０が並んでいる。段ｂ４より下は進相軸の方向は図示しないが、段ｂ１、段ｂ２、段ｂ３及び段ｂ４を１組として、この組が複数配置されている。
【０１１３】
位相子アレイ７０とＴＤＩイメージセンサ５との光学的な位置関係は、位相子アレイ７０の各アレイがＴＤＩイメージセンサ５の各受光素子に対応している。すなわち、位相子アレイ７０の各アレイを透過した光はそれぞれ１つ１つの受光素子で検出されるように配置する。また、段ｂ１、ｂ２などの各段がＴＤＩイメージセンサ５の検出輝度の積算方向と一致するように配置する。図１０において位相子アレイ７０のアレイ数はＴＤＩイメージセンサ５のセンサ素子数に等しく製作されているほうが好ましい。そのため図１０において、位相子アレイ７０の各段の分割数は１２で図示しているがこれに限定されるわけではない。またＺ軸方向にも分割数は、図１０で示されるような分割数に限定されるわけではなく、ＴＤＩイメージセンサ５の受光素子数と同数が好ましい。
【０１１４】
上記のような構成の検出光学手段１’を備えた偏光検出装置を用いて試料４（図１）の偏光状態を検出することができる。以下に、その測定方法を説明する。まず、測定方法の一例を示して、続いて、本実施形態の測定方法について説明する。
【０１１５】
図１１に偏光測定の一例を示した光学系の概略図を示す。偏光測定とは試料透過光のストークスパラメータを求めることで、試料を透過することでストークスパラメータの変化から試料の特性情報を得ることである。ストークスパラメータとは以下の式（１３）〜式（１６）で表されるＳ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３で表記される。
【０１１６】
【数１３】
2009168795.tif 000015
【０１１７】
【数１４】
2009168795.tif 000016
【０１１８】
【数１５】
2009168795.tif 000017
【０１１９】
【数１６】
2009168795.tif 000018
【０１２０】
尚、Ｅｘ、Ｅｚは図１１におけるＸ軸方向、Ｚ軸方向の光の電場振幅となる。Δは、ＥｘとＥｚの位相差を表す。
【０１２１】
そこで、試料透過光のストークスパラメータを測定する。図１１は透過光モデルを説明している。光学系として、光源１０、偏光板１１、１/４波長板１２、サンプル１３、位相子１４、偏光板１５、検出器１６の順に配列されている。１/４波長板１２とは図３における位相差φとして波長の１/４、すなわちπ/２を与えるような素子である。光源１０は白色光、単色光のどちらでもかまわないが、単色光の方が１つの波長による解析となるので、計算が容易に行える。光源１０からの光は偏光板１１、１/４波長板を透過して円偏光となり、サンプル１３に入射する。サンプル１３に入射される光は、この図１１では円偏光となるが、直線偏光でもかまわない。直線偏光を入射する場合は、１/４波長板１２は必要ない。試料を透過した光は位相子１４、偏光板１５を通過して、検出器１６にてその強度が検出される。位相子１４は特に問題が無ければ、１/４波長板を使用すればよい。本件では、位相子１４は１/４波長板とする。
【０１２２】
測定方法としては位相子１４を回転しながら強度を検出していく。位相子１４の回転角をＣとすると、検出強度Ｉ（Ｃ）は以下の式（１７）
【０１２３】
【数１７】
2009168795.tif 000019
【０１２４】
で表すことができる。
【０１２５】
係数α１、α２、α３、α４は試料からの透過光のストークスパラメータ（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）で表記されるので、係数α１、α２、α３、α４を求めればよい。求める方法としては、検出強度Ｉ（Ｃ）をフーリエ変換する方法や、以下に示すような積分強度から求める方法もある。
【０１２６】
【数１８】
2009168795.tif 000020
【０１２７】
式（１８）によりＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４を定義すると、α１、α２、α３、α４は以下の式（１９）〜式（２２）
【０１２８】
【数１９】
2009168795.tif 000021
【０１２９】
【数２０】
2009168795.tif 000022
【０１３０】
【数２１】
2009168795.tif 000023
【０１３１】
【数２２】
2009168795.tif 000024
【０１３２】
のように表すことができる。
【０１３３】
上記のようにして、検出された強度から（式１８）により積分強度Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４を求めると、α１、α２、α３、α４が求まり、透過光のストークスパラメータ（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を求め、試料の特性情報を得ることができる。
【０１３４】
図１１に示す方法では位相子１４を回転する必要があるため、短時間計測はできない。そこで、本実施形態の偏光検出装置を使用する。
【０１３５】
本実施形態では、図１１の位相子１４に相当する素子が図１０の位相子アレイ７０に、図１１の偏光板１５が図１０の偏光板６０に、図１１の検出器１６が図１０のＴＤＩイメージセンサ５に相当する。図１１を用いて説明した方法で位相子１４の回転は図１０で示した位相子アレイ７０の各段に構成される各位相子の各進相軸に相当する。よって、図４の段ｂ１の各位相子を透過した光は、図１１の位相子１４を０°から４５°に回転した場合の光と同等となる。そこで、式（１８）で示した積分を求めるには、図１０の段ｂ１を透過した光の強度を全て加算すればよい。ここで、ＴＤＩイメージセンサ５の出力は、同一箇所を検出した段ｂ１の出力を加算したものであるから、積分値そのものとなる。実際は、ＴＤＩイメージセンサ５で段ｂ１の出力をＢ１とすると、式（１８）に相当する積分強度Ｉ１’は以下の式（２３）で表すことができる。
【０１３６】
【数２３】
2009168795.tif 000025
【０１３７】
δｂとは各アレイで変化する進相軸方向の角度差である。
【０１３８】
上記のようにして、段ｂ２、段ｂ３、段ｂ４からの出力をＢ２、Ｂ３、Ｂ４とすると、式（１８）に相当する積分強度Ｉ２’、Ｉ３’、Ｉ４’は以下の式（２４）〜式（２６）
【０１３９】
【数２４】
2009168795.tif 000026
【０１４０】
【数２５】
2009168795.tif 000027
【０１４１】
【数２６】
2009168795.tif 000028
【０１４２】
で表すことができる。
【０１４３】
式（２３）から式（２６）で求めたＩ１’、Ｉ２’、Ｉ３’、Ｉ４’から式（１９）から式（２２）用いて検出強度Ｉの係数α１、α２、α３、α４を算出し、試料透過光のストークスパラメータ（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を求めることができる。
【０１４４】
本実施形態では、光学素子の回転、挿入などの駆動部が無いため、短時間での測定が可能である。またＴＤＩイメージセンサ５からの出力が強度の加算なので、図１の計算処理手段２への負担が小さくなり、計算時間が短くなる。更にＴＤＩイメージセンサは走査型センサなので、撮像しながらの走査により広範囲な測定が可能となる。
【０１４５】
尚、本実施形態で用いることができる位相子アレイは、図１０に示したものに限定されない。例えば、図１２のようなものでも良い。すなわち、図１０に示す位相子アレイ７０では、段ｂ１を構成する位相子の各々の透過軸は、その角度が、段ｂ１の一方の端から他方の端まで連続的に変化している。これに対して、図１２に示す位相子アレイ７０’は、段ｂ１’を構成する位相子の各々の進相軸は、その角度が、段ｂ１’の一方の端から他方の端まで連続して変化していない。すなわち、本実施形態で採用することができる位相子アレイは、１つの段が、０°から４５°までの角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有している位相子によって構成されていればよい。また列方向（積分方向に垂直な方向）の並びも、図１０ではｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４であったがこれに限定されるわけではない。図１２のようにｂ１’、ｂ２’、ｂ４’、ｂ３’のように順番が入れ替わっていても良い。
【０１４６】
また図１３のようにＴＤＩイメージセンサ５の受光素子１つ１つに異なる進相軸方向を持つ位相子アレイ７０を割り当てる必要は無い。図１３では積算方向に受光素子２つ分は等しい進相軸方向を持つ位相子アレイを割り当てている。しかし進相軸方向はより細かくして割り当てた方が、測定精度が向上するので、できるだけ細かく分割して検出した方がよい。
【０１４７】
位相子アレイ７０としては、構造複屈折素子を用いることができる。構造複屈折素子は、図１４に示すような、光の波長以下の微細構造が周期的に並んでいる素子２０のことである。この素子２０にＹ方向に伝搬する光が入射すると、Ｘ方向とＺ方向に振動する光の成分に位相差が生じる。微細構造の溝の深さや材質の屈折率を考慮することによって、所望の位相差を得ることができる。溝の方向によって進相軸の方向を規定することができるので、本形態で使用する位相子アレイ７を製作するには最適であるといえる。構造複屈折素子の具体例としては、非特許文献（光技術コンタクト、pp692，Vol. 43，No.12 （2005））に開示されているものがある。
【０１４８】
また構造複屈折素子は、微細構造の周期ｆ（図１４）の約１．５倍以上の波長に対しては、Ｘ軸方向とＺ軸方向の屈折率差がほぼ等しくなり位相子として動作可能であることから、広域な波長帯域で動作することができる。例えば、周期ｆ＝２００ｎｍであれば、波長３００ｎｍ以上の光にはＸ方向軸方向とＺ軸方向の屈折率差がほぼ等しくなり、位相子アレイとして機能する。よってＲＧＢの波長帯域を全てカバーした位相子アレイを作成することが可能となり、液晶ディスプレイからの透過光の偏光計測を１台の偏光検出装置で行うことができる。但し、図９に示した位相差φは波長によって異なるので、偏光測定を行うにはそれを考慮して計算する必要がある。
【０１４９】
また、構造複屈折素子ではなく、フォトニック結晶で製作した位相子アレイを用いてもよい。フォトニック結晶を用いると、動作帯域幅が５０ｎｍで狭いが、特定波長の検出に限定することが可能であればフォトニック結晶を用いても良い。
【０１５０】
更には構造性複屈折素子ではなく、液晶パネルでも良い。液晶パネルとは、液晶分子を含む液晶層を２枚の基板によって挟持してなるものである。液晶パネルだと電気的に進相軸方位を変更できるので実現は容易である。しかし他の光学素子と比較して透過率が悪いので検出精度の劣化を招く恐れがある。
【０１５１】
また本実施形態では、図１０のように位相子アレイ７０と偏光板６０とを別々の素子で作成している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のように構成してもよい。すなわち、位相子アレイ７０の裏面（ＴＤＩイメージセンサ５との対向面）にワイヤーグリッドで製作された偏光子を作成した構成としても良い。ワイヤーグリッドとは、線幅が数十ｎｍ、ピッチが百数十ｎｍで形成された金属の線が並んだ構造である。金属は主にアルミなどを用いることができる。よって、偏光板６０は、位相子アレイ７０の裏面に、ワイヤーグリッドで形成すればよい。この素子は線方向に垂直な方向が光の透過軸となる。ワイヤーグリッドで製作した偏光板は、通常の偏光板より透過率が大きくなる。このように、位相子アレイ７０の裏面にワイヤーグリッドで、直接、偏光板を形成することによって、位相子アレイ７０と偏光板６０とを別々の素子で構成する場合と比較して、ＴＤＩイメージセンサ５に密着させる光学素子の厚さを薄くすることができる。
【０１５２】
ワイヤーグリッドは位相子アレイ７０の裏面に限定されるわけではない。位相子アレイ７０の表面、すなわち位相子アレイが形成されている面でも良い。この場合、例えば位相子が構造複屈折素子であれば、微細構造の上に基板となる材質を堆積させ、その上にワイヤーグリッドを形成しても良い。
【０１５３】
以上のように、本実施形態における偏光検出装置は、進相軸を有する複数の位相子８０によって構成された位相子アレイ７０と、偏光板６０と、試料４から出射された光であって、位相子アレイ７０及び偏光板６０を透過した光を受光するＴＤＩイメージセンサ５とが設けられた検出光学手段１’、ＴＤＩイメージセンサ５で受光された光に基づいたＴＤＩイメージセンサ５の出力から、試料４の偏光情報を計算する計算処理手段２（図１）、及び、検出光学手段１をＴＤＩイメージセンサ５の積分方向に沿って被検出体と相対移動走査させるための走査ステージ３（図１）を備えており、位相子アレイ７０は、ＴＤＩイメージセンサ５の積分方向に整列した１２個の位相子からなる段を上記積分方向に垂直な方向に４つ整列して、これを１つの組としたとき、各段は、上述したように所定の角度範囲内において互いに異なる進相軸角度を有した位相子からなり、且つ、上記組が、上記垂直な方向に沿って複数設けられており、ＴＤＩイメージセンサ５は、位相子アレイ７０の各位相子８０を透過した光を受光する複数の受光素子を有している。これにより、試料４の位相差や光軸方位の２次元分布を、広範囲で、且つ高精度、短時間に測定することができる偏光検出装置を提供することができる。
【０１５４】
尚、本実施形態も、上記実施の形態１と同様に、計算処理手段２と、検出光学手段１及び走査ステージ３（検出光学素子）とを別体で構成してもよい。
【０１５５】
また、本実施形態では、０°から１８０°までを４分割した構成について説明したが、５分割して図１５に示すようにｂ１’、ｂ２’、ｂ３’、ｂ４’、ｂ５’を検出してより精度良く検出方法もある。この場合、位相子アレイ７０は５段分で１ポイントの計測を行うような構成になる。
【０１５６】
ここで、５分割した場合のストークスパラメータの導出について説明する。この場合も積分強度から導出する。まず検出強度Ｉ（Ｃ）は式（１７）で、５分割した場合の積分強度は以下の式（２７）
【０１５７】
【数２７】
2009168795.tif 000029
【０１５８】
で表すことができる。Ｃは位相子の進相軸の回転角度である。式（２７）からＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５を定義すると、α１、α２、α３、α４は以下の式（２８）〜（３１）
【０１５９】
【数２８】
2009168795.tif 000030
【０１６０】
【数２９】
2009168795.tif 000031
【０１６１】
【数３０】
2009168795.tif 000032
【０１６２】
【数３１】
2009168795.tif 000033
【０１６３】
のように表すことができる。
【０１６４】
上記のように検出された強度から式（２７）により積分強度Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５を求めると、α１、α２、α３、α４が求まり、透過光のストークスパラメータ（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を求め、試料の特性情報を得ることができる。
ＴＤＩイメージセンサ５からの出力Ｂ１’、Ｂ２’、Ｂ３’、Ｂ４’、Ｂ５’と積分強度Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５の関係は以下の式（３２）〜（３６）
【０１６５】
【数３２】
2009168795.tif 000034
【０１６６】
【数３３】
2009168795.tif 000035
【０１６７】
【数３４】
2009168795.tif 000036
【０１６８】
【数３５】
2009168795.tif 000037
【０１６９】
【数３６】
2009168795.tif 000038
【０１７０】
で表すことができる。δｂとは各アレイで変化する進相軸方位の角度差である。
上記のようにして求めたα１、α２、α３、α４からストークスパラメータ（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）は以下の式（３７）〜（４０）
【０１７１】
【数３７】
2009168795.tif 000039
【０１７２】
【数３８】
2009168795.tif 000040
【０１７３】
【数３９】
2009168795.tif 000041
【０１７４】
【数４０】
2009168795.tif 000042
【０１７５】
で表すことができる。
【０１７６】
本形態の位相子８０はＸ軸に振動する光の位相とＺ軸に振動する光の位相のみに位相差φが生じるとした。しかし採用する光学素子によっては、位相差のみではなく振幅透過率にも差が生じる。Ｘ軸に振動する光の振幅透過率をｒ１、Ｚ軸に振動する光をｒ２とすると、検出強度変化の式（１７）は以下のように変わる。
【０１７７】
【数４１】
2009168795.tif 000043
【０１７８】
この場合、上記の方法で求めた積分強度Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４、Ｉ５からα１、α２、α３、α４、α５を求める必要があるが、それらの関係式は以下の式（４２）〜（４６）
【０１７９】
【数４２】
2009168795.tif 000044
【０１８０】
【数４３】
2009168795.tif 000045
【０１８１】
【数４４】
2009168795.tif 000046
【０１８２】
【数４５】
2009168795.tif 000047
【０１８３】
【数４６】
2009168795.tif 000048
【０１８４】
となる。
【０１８５】
また、１ポイントの計測で十分な場合には、位相子アレイは上記４分割ないし５分割の１組だけでも良い。
【０１８６】
更に位相子アレイの進相軸方向は、強度の積分方向すなわちＴＤＩの積算方向に異なった方向が作成されているがそれに限定されるわけではない。同一方向が積算方向に複数存在していても良い。同一方向が複数存在していたら検出精度は劣化するが、重複方向の数や重複数が少なければ検出精度の劣化は少なくてすむので問題ない。例えば製作上の問題などで、同一の方向が複数存在していてもかまわない。
【０１８７】
その他、本実施形態では、進相軸方位は強度の積分方向やそれと垂直な方向に分割して変化しているが、連続してその方向が変化しても良い。ＣＣＤと進相軸方向を１対１で割り当てるなら分割して変化することになるが、その必要は特に無く、強度の積分方向にはむしろ連続的に変化しているほうが好ましい。
【０１８８】
また、本形態の偏光検出装置は、試料透過光の偏光状態を検出した。しかしながら、本発明はこれに限定したものではなく、試料反射光の偏光状態を検出しても、同様の検出を行うことができる。但し、検出強度Ｉ（Ｃ）の係数α１〜α５と試料の物性情報との関係式が異なるので注意する必要がある。また試料の透過光を検出する場合、物性情報は試料の厚み方向の積分値となることに注意する必要があり、試料からの反射光を検出する場合には試料への入射角の設定によっては、試料表面の物性情報を検出することになる。
【０１８９】
また、本実施形態における偏光検出装置は、次の点を特徴としていると換言することができる。すなわち、偏光検出装置は、
（１）進相軸方向が異なる複数の領域を有する位相子アレイと、偏光板とを有し、前記位相子アレイと偏光板を透過した光を検出する時間遅延積分型イメージセンサとを有した検出光学手段と、時間遅延積分型イメージセンサからの出力から偏光情報を計算する計算処理手段と検出光学手段を走査する走査ステージを備え、前記位相子アレイの各アレイを透過した光は前記時間遅延積分型イメージセンサの各受光素子で独立して受光し、前記位相子アレイは前記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向の段には進相軸方向が連続的に変化した領域を含むアレイで構成され、前記時間遅延積分型イメージセンサの積分方向と垂直な方向には周期的に進相軸方向が変化していることを特徴としていると換言することができる。また、この（１）において、
（２）前記位相子アレイは、１段目は進相軸の方向が０°から４５°まで変化したアレイで構成され、２段目は４５°から９０°まで進相軸の方向が変化したアレイで構成され、３段目は９０°から１３５°まで進相軸の方向が変化したアレイで構成され、４段目は１３５°から１８０°まで進相軸の方向が変化したアレイで構成されており、５段目以降は１段目から４段目までの位相子アレイの構成が繰り返されていることが好ましい。また、この（１）・（２）において、
（３）前記偏光イメージング装置は前記位相子アレイの１段目からの出力と、前記位相子アレイの２段目からの出力と、前記位相子アレイの３段目からの出力と、前記位相子アレイの４段目からの出力により偏光状態を特定することが好ましい。また、この（１）〜（３）において、
（４）前記位相子アレイは周期的な凹凸形状を有していることが好ましい。また、この（１）〜（４）において、
（５）前記位相子アレイの裏面にワイヤーグリッドによる偏光板を有していることが好ましい。
【０１９０】
尚、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１９１】
本発明の偏光検出装置は、被検出体の位相差や光軸方位の２次元分布を、広範囲で、且つ高精度、短時間に測定することができる。
【０１９２】
従って、偏光状態を検査する必要があるあらゆる構造体に対して、その検査装置として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１９３】
【図１】本発明に係る偏光検出装置の一実施形態の構成を示した図である。
【図２】図１に示した偏光検出装置の主要部の一つの構成である検出光学手段の構成を示した図である。
【図３】偏光子を説明した図である。
【図４】図２に示した検出光学手段の詳細を示した図である。
【図５】偏光測定の光学系を説明した図である。
【図６】偏光子アレイの他の形態を示す図である。
【図７】偏光子アレイの他の形態を示す図である。
【図８】本発明に係る偏光検出装置の他の実施形態の構成のうち、主要部の一つの構成である検出光学手段の構成を示した図である。
【図９】位相子を説明した図である。
【図１０】図８に示した検出光学手段の詳細を示した図である。
【図１１】偏光測定の光学系を説明した図である。
【図１２】位相子アレイの他の形態を示した図である。
【図１３】位相子アレイの他の形態を示した図である。
【図１４】位相子アレイの構成を示した図である。
【図１５】位相子アレイの他の形態を示した図である。
【符号の説明】
【０１９４】
１、１’  検出光学手段
２  計算処理手段
３  走査ステージ
４  試料
５  時間遅延積分型（ＴＤＩ）イメージセンサ
７、７’  偏光子アレイ
８  偏光子
１０  光源
１１  偏光板
１２  １/４波長板
１３  サンプル
１４  位相子、偏光板
１５  偏光板
１６  検出器
２０  素子
３０  偏光検出装置
６０  偏光板
７０、７０’  位相子アレイ
８０  位相子
【図１】
2009168795.tif 000049
【図２】
2009168795.tif 000050
【図３】
2009168795.tif 000051
【図４】
2009168795.tif 000052
【図５】
2009168795.tif 000053
【図６】
2009168795.tif 000054
【図７】
2009168795.tif 000055
【図８】
2009168795.tif 000056
【図９】
2009168795.tif 000057
【図１０】
2009168795.tif 000058
【図１１】
2009168795.tif 000059
【図１２】
2009168795.tif 000060
【図１３】
2009168795.tif 000061
【図１４】
2009168795.tif 000062
【図１５】
2009168795.tif 000063