複屈折測定器の開発
Development of Birefringence Measurement System野崎昭

俊＊Nozaki，Akitoshi
With the ever-increasing density of optical disk, the performance demanded of optical disk lenses grows
ever more stringent. One such factor is birefringence, a fast but highly accurate way measuring birefringence is therefore a boon both in research and in production. We have developed just such way of measuring birefringence using an intensity method rather than a heterodyning method. The method is madehighly accurate by optimizing the arrangement of the polarized elements, by adopting a high-resolutionCCD camera, and by using a simple analytical technique. These advances bring the accuracy of the methodon par with the heterodynig method, so that that accuracy can be teamed with the intensity method'sspeed, ease of use, and facility for measuring 2D birefringence using the actual ray paths of the lenses.

１

元複屈折分布測定が容易である。一方、後者の場合は高精度な測定が望めるものの点計測であるため、レンズのはじめに複屈折は直交方向の光の屈折率が異なる現象で、プラような二次元計測を行なうには光学系や検出器の走査がスチック成型では素材・製造条件・形状により複屈折の度合いが変化すると言われている。光ディスク用レンズ必要となり、測定には時間を要し、装置も大掛かりな物となる。に複屈折がある場合の影響は、偏光方向により屈折率が今回開発した装置では、レンズの二次元複屈折分布を変化することから結像性能が劣化する事、偏光を利用して信号検出を行なうＭＯディスク装置ではＳＮ比が悪くレンズの実光線経路で短時間に測定が容易な強度法を採用し、使用する偏光素子の最適配置、解析手法の単純化、なる事、などがあげられる。光ディスクの高密度化・ハ検出素子に高分解能のＣＣＤカメラを用いることで、強イスペック化に伴い、レンズに求められる性能はますます厳しくなり、評価項目のひとつである複屈折測定も更度法では難しいと言われている高精度化を達成している。
２．２ 装置構成
Fig ．１ に装置レイアウトを示す。光源には直線偏光なる高精度化が望まれていた。

２の He-Ne レーザを用い、その直後に光軸まわりに回転可能なλ/4 板を配置する。λ/4 板透過後の光はビーム

複屈折測定器の開発

２．１

エキスパンダーによりひろげられ、被験レンズに入射す測定手法

λ/4 板を用いたセナルモン法（偏光補償法）などの強る。被験レンズを透過した光は、被験レンズ以上の開口数（NA）を持つ対物レンズにより平行光に戻され、次度情報から複屈折を求めるもの、直交する僅かな差周波に光軸まわりに回転可能な偏光子に入射する。偏光子透数を持つ横ゼーマンレーザを光源としたヘテロダイン法１）などの位相差から複屈折を求める方法がある。前者

過後の光は撮像レンズにて 14bit の分解能を持つ高精度ＣＣＤカメラに結像される。の場合は一般的に測定感度が低く、再現性にも問題があ

カメラの画像はＲＳ２３２Ｃを通じてパーソナルコンるが、ＣＣＤカメラを検出素子として用いた場合は二次ピューター（ＰＣ）に送られる。ＰＣでは各偏光素子の物質内部の複屈折測定には検出方法から大きく分けて、

Fig．１＊オプトテクノロジーカンパニー

Optical layout and system diagram

光学開発センター

KONICA TECHNICAL REPORT VOL. 14（2001）57

回転制御と、カメラ画像からの強度を元に複屈折を算出・表示する。

A,B から複屈折は次式のように求められる。
δ＝sin−１√（A２＋B ２）

本装置では、被験物に素材検討に使用する平板や、カメラやビデオで使用する単レンズも考慮に入れている。
単レンズを測定する場合は、レンズをレンズと同等の屈φ＝1/2・tan−１（−A／B）

折率を持つ溶媒に浸し、ノンパワー化して測定する。

以上のように、4 つの強度情報から容易に複屈折が算Fig．１では光学系が横向きに表示してあるが、実際の装置では作業性と液浸測定を考慮して縦置き配置となって出されることがわかる。
本装置では、各画像の対応する画素強度から微小な複いる。Table１に本装置の主仕様を示す。

屈折を算出しているので、回転を伴う光学素子の傷・汚Table１

れは画素の強度を変化させ、測定結果に大きな影響を与える。そこで、λ/4 板はビームをひろげる前に配置しSystem specification
632.8nmて、その影響を最小限に留めている。また、ビームのひ

測 定項 目

被験物透過後の複屈折大きさ、進相軸方位測 定精 度

分解能 0.5°（0.88nm）再現性 1°（1.76nm）

ろがった所で使用する偏光子は、式 A，B を求める際には方位固定で使用し、さらに式 A，B は強度情報で規格

光源

He-Ne レーザ・有効径
測 定範 囲化されている事から傷・汚れは測定結果に影響しないこ

φ10mmとが判る。
２．４ 測定例

・物像間距離 50mm 以下
・被験物 NA0.65 以下

測 定対 象そ の 他

２．３・有限・無限共役型光ディスクレンズ
・単レンズ、平板・測定時間

約 1 分（自動測定）・ソフトウエアFig．２に成型条件を変化させた時の、光ディスク用対物レンズの複屈折測定結果を示す。大きさは 10 等分に色分け表示し、白い線は進相軸方位を表している。右側の結果から、樹脂が流れ込むゲート近傍（紙面上）に約Windows 対応30°（53nm）の複屈折がある事が判る。成型条件を変えた左側のレンズは、このゲート近傍の複屈折が約半分まで低減し、さらに中心部の低複屈折領域（紫色）が拡がっ

測定・解析手法

まず偏光子の方位Θ（Fig．１参照）を 0°に固定し、λ/4 板を回転させて方位αを 45°，315°にした時の画ていることが確認できる。

像強度Ｉ（45,0），Ｉ（315,0）を各々取得する。次に偏光子の方位Θを 45°に固定し、同様にλ/4 板の方位αを 45°，315°にした時のＩ（45,45），Ｉ（315,45）を各々取得する。なお、λ/4 板の方位αが 45°，315°の時、被験物に入射する光の状態は、各々右回り円偏光、左回り円偏光となる。
被験物に複屈折がある場合、被験物を透過した光は楕円偏光に変化する。４枚の画像の対応する画素間で後述する演算を行い、被験物のある１点の複屈折を求める。これを被験物面内に展開し二次元複屈折分布を得る。

Fig．２

ここで、各光学素子に対するミューラ２）行列を入射光
S,λ/4 板 Q，被験物 X，検光子 P とすると、ある 1 点の検出光のミューラ行列 S'は次式のように表せる。

３

Typical 2D birefringence comparing a lensunder differing mold conditions

まとめ

レンズの実光線経路で測定可能な高精度で操作性の良S′＝

P ･ X ･ Q ･ S ………

い複屈折測定器を開発した。この測定器では、従来手法では測定ができなかった複屈折量や複屈折変化を捉える

ここで、S′の第 1 行が画像強度 I に相当する。4 つの画ことが可能となり、微小複屈折の評価・定量化に役立っ像強度を利用し、被験物の複屈折大きさδ、進相軸方位φに関連した次式 A，B を（1）式から導出した。ている。今後は、この測定器に短波長化と高 NA 対応を盛込み、光ディスクの最新動向に対応していきたい。
●参考資料

Ａ＝(Ｉ（45,0）−Ｉ（315,0）)／(Ｉ（45,0）＋Ｉ（315,0）)＝sinδ・sin2φ
Ｂ＝(Ｉ（45,45）−Ｉ（315,45）)／(Ｉ（45,45）＋Ｉ（315,45）)

１）Nobuhiro Umeda,Sho Wakayama,Shinsuke Arakawa,"Fastbirefringence measurement using right and left hand circularly polarized laser",SPIE vol.2873,p119,(1996)
２）応用物理学会光学懇親会編，"結晶光学"，森北出版＝−sinδ・cos2φ58

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