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ひでよりたなせ
5 years ago
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1 複屈折の 2 次元分布評価装置 PA-200, WPA-200 のご紹介 1. 複屈折測定の基本 2. 偏光イメージセンサーの構造と原理 3. 装置の基本構成と測定例 4. 測定レンジの限界とその拡張 (WPA-200) 株式会社フォトニックラティス 1

2 1. 複屈折測定の基本 2

3 光の三要素偏光と偏光子振幅 : 明るさ波長 : 色振動方向 : 偏光波長入射光の偏光子の偏光透過軸 100% 透過振動方向 : 偏光入射光の偏光子の偏光透過軸振幅 0% 透過 45 度の場合 50% 透過他の 2 要素と異なり偏光は肉眼で識別できないので直感的な把握が比較的難しいしかしながら液晶パネルなどに広く利用されている偏光計測の基本原理偏光子を回して透過光量の変化を観察 3

4 偏光と複屈折と位相差について屈折率 : 光の通り易さ屈折率大屈折率小屈折率の大きい物質ほど通り抜けるのに時間がかかる光学距離 = 屈折率長さ屈折率 1.5 のガラス中では光の伝播速度は 1.5 分の 1 複屈折 : 偏光により屈折率が違う状態複屈折をもつ物質複屈折の値常光異常光方解石水晶複屈折値 ( n) 位相差サファイヤ氷光線が通り抜ける距離位相差 = 複屈折距離ここでは同一物質の同一箇所を異なる偏光が通過することを想定従って距離は一定位相差複屈折 4

5 複屈折が偏光状態に及ぼす影響偏光成分の位相差と Total の偏光状態直交する 2 偏光成分の足し合わせであらゆる偏光状態は記述できる赤の波が最大値のとき緑の波も最大値 ( 色は波長とは無関係 ) 1 同位相直線偏光赤の波が最大値のとき緑の波が 0 2 位相差 90 度円偏光直交する 2 偏光の位相差が偏光状態を様々に変化させる 1 位相差 0 2 λ( ラムダ ): 波長 λ/4 (90 ) λ/2 (180 ) 3λ/4 (270 ) λ (360 ) 直線偏光 ( 右回り ) 円偏光直線偏光 ( 左回り ) 円偏光前ページと併せて考えると複屈折を持つ物質が透過した偏光を変化させることがわかる 5

6 複屈折が偏光状態に及ぼす影響複屈折を有する物質は透過光の偏光状態を変化させる複屈折のない透明体複屈折のある透明体通り抜ける前後で偏光状態は変わらないクロスニコル配置の偏光子に挟んでも見えない透過軸方位が直交する 2 枚の偏光子は光を全遮断するこの間に複屈折の無い物質を入れても真っ暗なまま複屈折のある物質を入れるとその物質で変化された偏光は 2 枚目の偏光子を透過するため明るく見える通り抜けた光線の偏光状態が変化するクロスニコル配置の偏光子に挟むと複屈折に応じて明るく見える 6

005 複屈折 = β 応力 F (10 12 Pa) つまりT( テラ )Pa 単位の応力に光弾性係数を掛けると複屈折量になる位相差 δ(nm) = β 厚さd (cm) 応力 F (10 5 Pa) ~β は光弾性係数 [ 10 12 /Pa ] 例えば厚さ 1mm の石英に 1MPa(10 6

7 応力による複屈折の発生応力なし応力印加複屈折性のない透明材料でも応力により複屈折が発生するこれを光弾性効果と呼び発生する複屈折や位相差の量は応力に比例しその比例係数 ( 光弾性係数 ) は材料ごとに一定材料光弾性係数 (10-12 /Pa) 石英 3.5 ポリカーボネート 75 アクリル樹脂 6 一般的な光学ガラス 0.5 鉛ガラス複屈折 = β 応力 F (10 12 Pa) つまりT( テラ )Pa 単位の応力に光弾性係数を掛けると複屈折量になる位相差 δ(nm) = β 厚さd (cm) 応力 F (10 5 Pa) ~β は光弾性係数 [ /Pa ] 例えば厚さ 1mm の石英に 1MPa(10 6 Pa) の応力で発生する位相差は = 3.5nm と計算できる水晶の複屈折は約 0.01( ) 石英で同等の複屈折が得らる応力は 0.003TPa=3GPa これ程大きな応力は発生しにくい一般には光弾性による複屈折は水晶より数桁小さい樹脂成型品の複屈折の大半が光弾性効果ではなく分子配向によるとの見解もある従って複屈折や位相差から単純に内部応力に換算することは殆どの場合適切とはいえないしかしながら成型条件に依存する光学特性の変化であることには変わりが無く有効かつ重要な評価指標として活用されている 7

8 偏光複屈折位相差光弾性のまとめ複屈折の分布を評価するとサンプルの内部歪み分布や分子配向分布などが把握できる複屈折を持つ物質は透過した光線の偏光状態を変化させる従って透過前後の偏光状態を比較すると複屈折を評価できる複屈折の評価技術 = 偏光計測技術 + 比較演算技術複屈折測定装置はハードウェア要素として偏光計測装置であることが不可欠です 1 偏光計測位相差が生じる = 偏光状態が変わる 2 位相差の算出 ( 偏光状態の変化から計算 ) 実際の活用レベル入射光複屈折 ( サンプルが持つ特性 ) 透過光 3 複屈折の算出 ( 位相差とサンプル厚さから計算 ) 4 応力の算出 ( 複屈折と光弾性係数から計算 ) 発生原因 : 異方的な応力や分子配向計算上は複屈折や応力まで算出可能ですしかしながら a. サンプル厚分布データを用いる煩雑さ b. 実用上重要な数値は複屈折ではなく位相差であることが多いこと c. 複屈折の原因が応力だけである場合が少ないことなどの理由で 2 の位相差データまでの解析に留めることが一般的です 8

偏光測定の基本的な方法偏光フィルタ ( 偏光子や波長板 ) を回して透過光量の変化を計測する手法が全ての偏光計測の基本になる基本的な構成偏光子回転式回転光線

剛性のある筐体など ) 回転する時間が測定には不可欠なこと動いたり変化する測定対象は測定が困難面データの測定が困難なこと ( 右図参照 )

数画素レベルの光軸ズレが容易に発生する電気的に光学軸が回転する偏光フィルターを配置する方法光学軸方位の異なる複数の偏光フィルタとセンサを並べて配置する方法液晶駆動フィルタ

9 偏光測定の基本的な方法偏光フィルタ ( 偏光子や波長板 ) を回して透過光量の変化を計測する手法が全ての偏光計測の基本になる基本的な構成偏光子回転式回転光線波長板回転式回転光線新しい構成例偏光子波長板光量センサー偏光子光量センサー問題点左図ほどに構成要素は単純ではないこと ( 回転モータ回転角の検出センサ剛性のある筐体など ) 回転する時間が測定には不可欠なこと動いたり変化する測定対象は測定が困難面データの測定が困難なこと ( 右図参照 ) 現在でも多くの装置がこれらの手法を用いている 1 フィルタと光軸を厳密には垂直にできない 2 フィルタ回転に伴い光軸が振れる 3CCD のような高密度な面センサーでは数画素レベルの光軸ズレが容易に発生する電気的に光学軸が回転する偏光フィルターを配置する方法光学軸方位の異なる複数の偏光フィルタとセンサを並べて配置する方法液晶駆動フィルタ PEM など偏光フィルタセンサーは CCD で実現済み偏光フィルターを高密度高精度に並べる技術が鍵光線回転軸方位の制御性が測定精度再現性への障害になる光量センサー電気信号 PA-200,WPA-200 に用いられている偏光イメージセンサーはこの方法 9

10 2. 偏光イメージセンサーの構造と原理 10

11 偏光イメージセンサーの基本構造当社独自のフォトニック結晶技術により実現した偏光フィルタ集積素子を CCD 前面に配置した構成 CCD の画素と同サイズ / 同数の光学素子を集積可能集積偏光子 ( フォトニック結晶 ) CCD 集積型偏光子の表面 SEM 像 5μm 写真 4 方向の偏光子を集積 11

光強度偏光イメージセンサーの仕組みと測定原理隣接 4 画素の比較演算により偏光情報を計測 [ 入射偏光と出力パターン ] [ 直線偏光 ] [ 楕円偏光 ] [ 円偏光 ] 0 45 70 透過軸明暗パターン偏光子アレイ CCD [ 演算方法の概略

12 光強度偏光イメージセンサーの仕組みと測定原理隣接 4 画素の比較演算により偏光情報を計測 [ 入射偏光と出力パターン ] [ 直線偏光 ] [ 楕円偏光 ] [ 円偏光 ] 透過軸明暗パターン偏光子アレイ CCD [ 演算方法の概略 ] フィッティングカーブ 4 画素の比較をすると 45 度刻みではなくあらゆる角度の偏光方位を算出することができる 0 度 θ45 度 90 度 135 度偏光子軸角度 PA-200 用の偏光イメージセンサーは従来の偏光子回転式を多並列化したもの 12

13 偏光イメージセンサーの仕組みと測定原理撮影画像演算処理 / 画像化各点の複屈折情報 ( 主軸方位と大きさ ) が同時にデータ化される偏光状態に対応した市松模様 13

14 位相差 nm レンズの測定例位相差分布位相差の主軸方向分布 130nm 0nm 100 円周方向の位相差分布グラフ詳細な定量比較が可能イジェクトピンの影響角度ゲートの影響わずかな傾向変化の抽出が容易 PA

15 3. 装置の基本構成と評価例 15

16 複屈折分布測定装置の基本構成と測定方法 1 光源の偏光状態分布を取得 2 サンプル透過後の偏光状態分布を取得偏光イメージセンサー ( 対物 ) レンズ波長フィルタ円偏光フィルタ測定サンプル光源実際の測定装置外観 2 次元複屈折分布評価システム PA 各画素の偏光状態の変化から複屈折の量と軸方位を算出円偏光フィルタを用いる理由光源が直線偏光の場合これと同じ方向の軸を持つ複屈折が検出できない光源を円偏光にすることで全方向に軸を持つ複屈折が同時に検出可能になる 16

17 PA-200 による測定例 (1) レンズの複屈折分布評価光学ガラスの複屈折分布評価複屈折軸方向のカラー表示対応図 5nm 0nm 2 次元複屈折分布評価システム PA-200 複屈折の面内分布が手軽に可視化できる 17

18 位相差 nm PA-200 による測定例 (2) 樹脂成形品 ( 試験片 ) の材料による歪み分布の違い評価 PC PMMA ポリオリフィン系樹脂コンプレッション 90 上記試験片の矢印ライン上の位相差分布 PC は実際には歪みが最も大きいが PA-100 では大きすぎる為に測定値が正しくない 2 次元複屈折分布評価システム PA PC PMMA A 材コンプレッション 0 位置成型材料 ( 及び成型方法 ) による複屈折の違いが視覚的 / 定量的に比較できる 18

PA-200 130nm 100 80 60 40 20 0 白線上の位相差分布

19 PA-200 の測定限界複屈折の面内分布を定量評価できる PA-200 には測定できる位相差の上限が λ/4 までに制限されるという短所があるコの字部材に徐々に大きな力を加えていったときの位相差分布の変化印加応力 : 小印加応力 : 中印加応力 : 大 130nm 2 次元複屈折分布評価システム PA nm 白線上の位相差分布 130nm 白線上の位相差分布 0nm 測定波長 (520nm) の 1/4 以上の位相差では折り返された値が示される大きな位相差変化のあるサンプルでは実際には無いうねりが表示される PA-200 は 100nm 程度以下の位相差のサンプルに定量測定の用途が限定される 19

20 微小サンプルの測定例光学顕微鏡に取り付けたタイプ PA-micro を用いると微細なサンプルの複屈折分布も観察可能光ファイバー断面の複屈折分布評価 0.1 mm 2 次元複屈折分布評価システム PA-micro 定量解析が任意線上領域で可能 20

21 4. 測定レンジの限界とその拡張 (WPA-200) 21

22 測定レンジの拡張手段 ( その 1. 偏光子回転式と波長板回転式 ) 偏光イメージセンサ構造の比較 PA-200 用向きの異なる偏光子の集積素子を CCD と一体化偏光子回転式の測定原理 WPA-200 用向きの異なる波長板の集積素子と一様な偏光子と CCD と一体化した 3 層構造の新型偏光センサーを内蔵波長板回転式の測定原理集積偏光子 ( フォトニック結晶 ) CCD 集積波長板 ( フォトニック結晶 ) CCD 偏光子偏光子回転式の基本構成 ( 従来技術 ) 測定光回転波長板回転式の基本構成 ( 従来技術 ) 回転固定測定光偏光子センサー波長板偏光子センサー測定原理の違いにより WPA-200 用センサーは測定レンジが 2 倍 ( 次項で説明 ) 22

23 光量光量測定レンジの拡張手段 ( その 1. 偏光子回転式と波長板回転式 ) 測定原理 : フィルタを回転させたときの光量変化の仕方から偏光情報を判断する偏光子回転式では楕円 ( 円 ) 偏光の回転方向が区別つかない波長回転式では楕円 ( 円 ) 偏光の回転方向の区別がつく波長板回転式の方が測定レンジが広い偏光子回転式位相差 : 0nm 測定光の波長を520nmとした場合位相差 :65nm 位相差 :130nm (λ/4) 位相差 :195nm 位相差 :260nm (λ/2) 測定光回転円偏光 ( 右回り ) 楕円偏光直線偏光楕円偏光円偏光 ( 左回り ) 偏光子センサーフィルタ回転角フィルタ回転角フィルタ回転角フィルタ回転角フィルタ回転角同じデータ区別がつかない回転波長板回転式固定回転波長板の位相差を λ/4 とした場合異なるデータ区別がつく測定光波長板偏光子センサーフィルタ回転角フィルタ回転角フィルタ回転角フィルタ回転角フィルタ回転角 23

別な波長での測定値と比較するとレンジが拡大する図を用いた補足説明右図の赤線の波グラフで縦軸の値から横軸の値を決めようとしてみるすると縦軸が α になる横軸の値には A A+λ A+2λ など複数の候補値を持ち

24 測定レンジの拡張手段 ( その 2. 複数波長の測定結果の比較演算 ) 偏光センサの改良に加えて複数波長で測定した結果を比較する方式の採用により測定レンジを更に拡大複数波長で測定レンジが拡大する理由単一波長では波長以上の位相差は原理的に区別不能別な波長での測定値と比較するとレンジが拡大する図を用いた補足説明右図の赤線の波グラフで縦軸の値から横軸の値を決めようとしてみるすると縦軸が α になる横軸の値には A A+λ A+2λ など複数の候補値を持ちこれらを識別することはできないしかし緑線の値も併せて考慮すると上記 3 点は緑線上では異なる値であり識別可能になる装置の基本構成比較 PA-200 には測定波長 (520nm) だけを透過させる波長フィルタが内蔵されているが WPA-200 ではレンズの前にレボルバー式の可変波長フィルターが配置されている α 複数波長測定の概念図 λ A nm A+λnm A+2λnm PA200 の構成偏光イメージセンサ WPA200 の構成レンズ波長フィルタ ( 固定 ) レンズ回転波長フィルタ 24

25 WPA-200 の装置外観 WPA-200 カメラユニットカメラユニット高さ調整ノブ可変波長フィルタ光源ステージ 25

26 WPA-200 の大きな測定レンジ 1 波長を超える大きな位相差の測定が実現印加応力 : 小コの字部材に徐々に大きな力を加えていったときの位相差分布の変化印加応力 : 中印加応力 : 大 1000nm 0nm 各図白線上の位相差分布グラフ応力大 WPA-200 応力中応力小 26

赤線上の位相差分布グラフ比較 WPA PA 0 20 40 60 80 100 120 縦方向座標 PA-200 もレンズ中央付近の

27 位相差 nm PA200 と WPA200 の測定データ比較位相差が数 100nm のサンプル ( 樹脂レンズ ) の測定例 PA-200 測定データ WPA-200 測定データ赤線上の位相差分布グラフ比較 WPA PA 縦方向座標 PA-200 もレンズ中央付近の 100nm 程度以下の領域は WPA-200 と同じ正しい測定結果が得られているレンズ周辺の大きな位相差領域でも WPA-200 では正しい測定結果を得ることができる 27

28 まとめレンズ位相差分布の 3D 表示例複屈折評価の原理や手法について紹介しました複屈折分布を高速に測定するためのキーパーツ偏光イメージセンサの構造と機能を紹介しました WPA-200 と PA-200 の装置外観や測定データを比較しながら紹介しました 28

29 ( 補足 ) WPA-200 の測定例のご紹介 29

30 位相差 nm レンズの評価例 ( カメラ用レンズ ) 成形時の引けの評価例 OK-Sample NG-Sample 輝度画像点線上の位相差分布比較 OK NG nm 100 位相差画像 0nm 0 位相差データでは輝度データでわからない差が明瞭に評価できます測定装置 :WPA

31 レンズの評価例 (fθ レンズ ) A A B B 測定装置 :WPA

32 レンズ以外の樹脂成型品の評価例 (CD ケース ) 測定装置 :WPA-200 ( 活用例 ) 医薬品の透明樹脂ケースカーオーディオ用の透明パネルその他の透明樹脂成形品 32

33 光学フィルムの評価例一見して均質なフィルムでも位相差の表示レンジを拡大することでわずかなムラを抽出します偏光フィルムのわずかな透過軸方位の分布も検出可能です位相差 0~400nm 表示位相差 260~300nm 表示測定装置 :WPA

34 御不明な点や測定を試みたいサンプルなどございましたらお気軽にお問い合わせください株式会社フォトニックラティス URL: 版 34

王子計測機器株式会社 LCD における PET フィルムの虹ムラに関する実験結果はじめに最近 PETフィルムはLCD 関連の部材としてバックライトユニットの構成部材保護シートタッチセンサーの基材等に数多く使用されています特に液晶セルの外側にPET フィルムが設けられる状態

2015.02 王子計測機器株式会社 LCD における PET フィルムの虹ムラに関する実験結果はじめに最近 PETフィルムはLCD 関連の部材としてバックライトユニットの構成部材保護シートタッチセンサーの基材等に数多く使用されています特に液晶セルの外側にPET フィルムが設けられる状態のとき表示画面を偏光メガネを通して見たときに干渉色いわゆる虹ムラが発生する場合があることはよく知られています