JP7773200B2 - Optical measurement device and optical measurement method - Google Patents
Optical measurement device and optical measurement methodInfo
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Description
本発明は、光学測定装置および光学測定方法に関する。 The present invention relates to an optical measurement device and an optical measurement method.
高速の現象を観察、測定するために種々の技術が開発されている。例えば、瞬間的な発光を繰り返して対象物を撮影する、ストロボ撮影が一般に用いられている。しかし、ストロボ撮影は、必ずしも大きな時間分解能を有せず、例えば、f(フェムト)秒(10-15秒)オーダの超高速現象を測定することは困難である。このような超高速現象の一例として、レーザーの照射によって発生するプラズマの挙動が挙げられる。非特許文献1は、マイケルソン干渉計によって生成された、時間的に分離された2つのプローブ光を用いて、プラズマの挙動を測定する技術を開示する。 Various techniques have been developed to observe and measure high-speed phenomena. For example, strobe photography, which captures images of an object by repeatedly flashing light, is commonly used. However, strobe photography does not necessarily have a high time resolution, making it difficult to measure ultrafast phenomena on the order of f (femto) seconds ( 10-15 seconds). One example of such an ultrafast phenomenon is the behavior of plasma generated by laser irradiation. Non-Patent Document 1 discloses a technique for measuring plasma behavior using two temporally separated probe beams generated by a Michelson interferometer.
しかしながら、非特許文献1の技術は、2つのプローブ光間の時間遅延の正確性、安定性に欠ける。また、時間的な再結合を省略させるために超狭帯域の干渉フィルターを使っているため、得られる像のコントラストも、良好とは言い難い。 However, the technology in Non-Patent Document 1 lacks accuracy and stability in the time delay between the two probe beams. Furthermore, because it uses an ultra-narrowband interference filter to eliminate temporal recombination, the contrast of the resulting image is far from excellent.
本発明の一態様は、対象物の高速変化の測定精度を向上させた光学測定装置および光学測定方法を提供することを目的とする。 One aspect of the present invention aims to provide an optical measurement device and optical measurement method that improve the accuracy of measuring high-speed changes in an object.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光学測定装置は、対象物の時間的変化を光学的に測定する光学測定装置であって、偏光が入射される第1の位相板と、前記対象物を挟んで、前記第1の位相板と対向し、前記第1の位相板から出射され、かつ前記対象物を通過した偏光が入射される第2の位相板と、前記第2の位相板から出射される偏光が入射される検光子と、を備え、前記第1の位相板は、前記入射された偏光を第1、第2の偏光へと分解して、所定の時間差で、出射し、前記第2の位相板は、前記第1、第2の偏光間の前記所定の時間差を解消して、前記第1、第2の偏光を合成した合成偏光を出射する。 In order to solve the above problems, one aspect of the present invention provides an optical measurement device that optically measures temporal changes in an object, and includes a first phase plate onto which polarized light is incident, a second phase plate that faces the first phase plate across the object and onto which polarized light that has exited the first phase plate and passed through the object is incident, and an analyzer onto which the polarized light exiting the second phase plate is incident, wherein the first phase plate decomposes the incident polarized light into first and second polarized light components and outputs them with a predetermined time difference, and the second phase plate eliminates the predetermined time difference between the first and second polarized light components and outputs a composite polarized light that combines the first and second polarized light components.
本発明の一態様によれば、対象物の高速変化の測定精度を向上させた光学測定装置および光学測定方法を提供することができる。 One aspect of the present invention provides an optical measurement device and optical measurement method that improve the accuracy of measuring high-speed changes in an object.
以下、本発明の実施形態を説明する。図1は、本発明の実施形態に係る光学測定装置10を表す。光学測定装置10は、対象物OBの時間的変化を光学的に測定する光学測定装置であり、例えば、対象物OBを拡大して表す顕微鏡として、機能する。 Embodiments of the present invention will now be described. Figure 1 shows an optical measurement device 10 according to an embodiment of the present invention. The optical measurement device 10 optically measures changes over time in an object OB, and functions, for example, as a microscope that magnifies and displays the object OB.
対象物OBは、超高速(例えば、f(フェムト)秒オーダ、10f秒オーダ以下)で変化が生じ得るものである。対象物OBの一例として、レーザーウェークを挙げることができる。レーザーウェークは、超強度レーザー光をガスに照射することで発生する、レーザー光の伝搬経路に沿う、電子プラズマの粗密波である。レーザーウェークの粗密状態は、極めて短い時間間隔で変化する。この時間間隔(変化時間Tc)は、一例として、15[f秒]である。 The object OB can change at ultra-high speeds (for example, on the order of f (femto) seconds, or on the order of 10 f seconds or less). One example of an object OB is a laser wake. A laser wake is a compressional wave of electron plasma that occurs when a gas is irradiated with ultra-intense laser light and travels along the propagation path of the laser light. The compressional state of the laser wake changes at extremely short time intervals. This time interval (change time Tc) is, for example, 15 f seconds.
光学測定装置10は、光源11、偏光子(偏光板)12a、検光子(偏光板)12b、位相板13a、13b、レンズ14a~14d、フィルター15、および撮像器16を有する。なお、レーザー光L0の光軸Aの方向をZ軸とするXYZ座標が設定される。 The optical measurement device 10 includes a light source 11, a polarizer (polarizing plate) 12a, an analyzer (polarizing plate) 12b, phase plates 13a and 13b, lenses 14a to 14d, a filter 15, and an imager 16. An XYZ coordinate system is set with the direction of the optical axis A of the laser light L0 as the Z axis.
光源11は、レーザー光L0を出射する。光源11は、連続発振(CW)レーザーまたはパルスレーザーのレーザー光源を用いることができる。パルスレーザーとして、例えば、チタン(Ti)・サファイア(Sapphire)・レーザー(以下、「TiSレーザー」と称する)を用いることができる。TiSレーザーは、気体の非線形光学効果を利用して、広帯域化、かつ短パルス化された直線偏光を発生することができる。 Light source 11 emits laser light L0. Light source 11 can be a continuous wave (CW) laser or a pulsed laser. For example, a titanium (Ti) sapphire laser (hereinafter referred to as a "TiS laser") can be used as a pulsed laser. A TiS laser can generate broadband, short-pulsed linearly polarized light by utilizing the nonlinear optical effect of gases.
レーザー光L0の光軸A上に、偏光子12a、位相板13a、対象物OB、レンズ14a、位相板13b、検光子12b、レンズ14b~14d、フィルター15、および撮像器16が順に配置される。 A polarizer 12a, phase plate 13a, object OB, lens 14a, phase plate 13b, analyzer 12b, lenses 14b-14d, filter 15, and imager 16 are arranged in this order on the optical axis A of laser light L0.
偏光子12aおよび検光子12bは、入射した光に含まれる、直線偏光成分を通過させる。偏光子12aおよび検光子12bはそれぞれ、偏光軸Da、Dbを有し、偏光軸Da、Dbに平行な偏光方向の直線偏光を通過させる。検光子12bは、位相板13b(第2の位相板)から出射される偏光L3が入射される検光子として機能する。 The polarizer 12a and the analyzer 12b pass the linearly polarized component contained in the incident light. The polarizer 12a and the analyzer 12b have polarization axes Da and Db, respectively, and pass linearly polarized light whose polarization direction is parallel to the polarization axes Da and Db. The analyzer 12b functions as an analyzer onto which polarized light L3 emitted from the phase plate 13b (second phase plate) is incident.
偏光子12aの偏光軸Daは、光源11から出射されるレーザー光L0の偏光方向に沿う。偏光子12aは、光源11の前に設置され、レーザー光L0に含まれる偏光軸Daに直交する偏光成分(偏光ノイズ)を除去する。 The polarization axis Da of the polarizer 12a is aligned with the polarization direction of the laser light L0 emitted from the light source 11. The polarizer 12a is placed in front of the light source 11 and removes polarization components (polarization noise) contained in the laser light L0 that are perpendicular to the polarization axis Da.
検光子12bの偏光軸Dbは、偏光子12aの偏光軸Daと直交する。偏光軸Da、Dbのなす角度は、例えば、90°±12°の範囲である。ここでは、分かり易さのために、偏光子12aの偏光軸DaをY軸方向、検光子12bの偏光軸DbをX軸方向としている。 The polarization axis Db of the analyzer 12b is perpendicular to the polarization axis Da of the polarizer 12a. The angle between the polarization axes Da and Db is, for example, in the range of 90°±12°. For ease of understanding, the polarization axis Da of the polarizer 12a is set to the Y-axis direction, and the polarization axis Db of the analyzer 12b is set to the X-axis direction.
偏光子12aおよび検光子12bは、例えば、薄膜、ダイクロイックガラスから構成できる。以下に説明するように、光源11にパルスレーザーを用いる場合、偏光子12a、検光子12bをそれぞれ、薄膜偏光板、ダイクロイックガラス偏光板とすることが好ましい。 The polarizer 12a and analyzer 12b can be made of, for example, a thin film or dichroic glass. As described below, when a pulsed laser is used as the light source 11, it is preferable that the polarizer 12a and analyzer 12b be made of a thin film polarizer and a dichroic glass polarizer, respectively.
偏光子12aを薄膜偏光板とするのは、偏光子12aを出射した後のレーザー光L1のパルス幅を維持するためである。すなわち、偏光子12aをダイクロイックガラスから構成すると、偏光子12a中でレーザー光のパルス波形が崩れ、偏光子12aから出射されるレーザー光L1のパルス幅は、レーザー光L0の本来のパルス幅から広がる傾向にある。このパルス幅の広がりは、超高速での対象物OBの観察を阻害する可能性がある。後述のように、レーザー光のパルス幅PWは、対象物OBの変化時間Tc以下であることが好ましいからである。すなわち、パルス幅が広がり、変化時間Tcより大きくなると、超高速での対象物OBの観察が阻害されることになる。 The polarizer 12a is a thin-film polarizing plate in order to maintain the pulse width of the laser light L1 after it leaves the polarizer 12a. In other words, if the polarizer 12a were made of dichroic glass, the pulse waveform of the laser light would be distorted within the polarizer 12a, and the pulse width of the laser light L1 emitted from the polarizer 12a would tend to widen from the original pulse width of the laser light L0. This widening of the pulse width could hinder ultra-high-speed observation of the object OB. As described below, the pulse width PW of the laser light is preferably equal to or less than the change time Tc of the object OB. In other words, if the pulse width widens and becomes greater than the change time Tc, ultra-high-speed observation of the object OB would be hindered.
検光子12bをダイクロイックガラスとするのは、偏光抽出性が良好なダイクロイックガラスを用いて、像のコントラストを向上するためである。偏光子12aと異なり、検光子12bに起因するパルス幅の広がりは、超高速での対象物OBの観察を阻害することはない。レーザー光のパルス幅は、対象物OBを通過するときに問題となり、対象物OBを通過した後で、パルス幅が広がっても、対象物OBの観察に影響を及ぼさない。 The analyzer 12b is made of dichroic glass because it has good polarization extraction properties, improving the contrast of the image. Unlike the polarizer 12a, the broadening of the pulse width caused by the analyzer 12b does not hinder the observation of the object OB at ultra-high speeds. The pulse width of the laser light becomes an issue when it passes through the object OB, and even if the pulse width broadens after passing through the object OB, it does not affect the observation of the object OB.
なお、光源11からのレーザー光L0のパルス幅への影響が小さければ、偏光子12aに薄膜偏光板以外の部材を用いてもよい。 Note that if the effect on the pulse width of the laser light L0 from the light source 11 is small, a material other than a thin-film polarizing plate may be used for the polarizer 12a.
以上は、光源11に、パルス幅が極めて狭い(例えば、f秒オーダ)パルスレーザーを用いる場合における説明である。光源11に、パルス幅がある程度以上広い光源を用いる場合、またはCWレーザーを用いる場合、偏光子12aおよび検光子12bに適宜の材料を用いることができる。例えば、偏光子12a、検光子12bの双方をダイクロイックガラス偏光板としてもよい。 The above explanation is for the case where a pulsed laser with an extremely narrow pulse width (for example, on the order of fsec) is used as the light source 11. If a light source with a pulse width wider than a certain degree is used as the light source 11, or if a CW laser is used, appropriate materials can be used for the polarizer 12a and analyzer 12b. For example, both the polarizer 12a and the analyzer 12b can be dichroic glass polarizing plates.
位相板13a、13bは、非等方性の複屈折材料(例えば、複屈折結晶)から構成され、入射光に位相差を付与する。位相板13aは、偏光L1が入射される第1の位相板として機能する。位相板13bは、対象物OBを挟んで、位相板13a(第1の位相板)と対向する。位相板13bは、位相板13a(第1の位相板)から出射され、かつ対象物OBを通過した偏光L2が入射される第2の位相板として機能する。 Phase plates 13a and 13b are made of anisotropic birefringent material (e.g., birefringent crystal) and impart a phase difference to incident light. Phase plate 13a functions as a first phase plate onto which polarized light L1 is incident. Phase plate 13b faces phase plate 13a (first phase plate) across object OB. Phase plate 13b functions as a second phase plate onto which polarized light L2, which is emitted from phase plate 13a (first phase plate) and has passed through object OB, is incident.
位相板13aは、入射光に位相差ΔF(時間差ΔT)を付与する。一方、位相板13bは、入射光に付与された位相差ΔF(時間差ΔT)を解消(低減)する。後述のように、位相板13aは、入射された偏光L1を偏光W2a、W2b(第1、第2の偏光、後述の図2参照)へと分解して、時間差ΔT(所定の時間差)で、出射する。また、位相板13bは、偏光W2a、W2b(第1、第2の偏光)間の時間差ΔT(所定の時間差)を解消して、第1、第2の偏光を合成した偏光L3(合成偏光)を出射する。 Phase plate 13a imparts a phase difference ΔF (time difference ΔT) to the incident light. Meanwhile, phase plate 13b eliminates (reduces) the phase difference ΔF (time difference ΔT) imparted to the incident light. As described below, phase plate 13a decomposes the incident polarized light L1 into polarized light W2a and W2b (first and second polarized light, see Figure 2 described below) and emits them with a time difference ΔT (predetermined time difference). Furthermore, phase plate 13b eliminates the time difference ΔT (predetermined time difference) between polarized light W2a and W2b (first and second polarized light) and emits polarized light L3 (composite polarized light) that combines the first and second polarized light.
位相板13aが付与する位相差ΔF、時間差ΔTは、次の式(1)、(2)によって規定される。
ΔF=(2π・Δn・d)/λ …… 式(1)
ΔT=c/(Δn・d) …… 式(2)
λ: レーザー光L0の波長(中心波長)
Δn: 位相板13aの(異方性)屈折率差(=ne-no)
ne: 位相板13aの異方性軸Sa方向での屈折率
(後述の偏光W2a(第1の偏光)に対する屈折率)
no: 異方性軸Saに垂直な方向での屈折率
(後述の偏光W2b(第2の偏光)に対する屈折率)
d: 位相板13aの厚さ
c: 光の速度
The phase difference ΔF and the time difference ΔT provided by the phase plate 13 a are defined by the following equations (1) and (2).
ΔF=(2π・Δn・d)/λ... Formula (1)
ΔT=c/(Δn・d)... Formula (2)
λ: wavelength of laser light L0 (center wavelength)
Δn: (anisotropic) refractive index difference of the phase plate 13a (=ne-no)
ne: refractive index in the direction of the anisotropy axis Sa of the phase plate 13a
(Refractive index for polarized light W2a (first polarized light) described below)
no: refractive index in the direction perpendicular to the anisotropy axis Sa
(Refractive index for polarized light W2b (second polarized light) described below)
d: Thickness of the phase plate 13a c: Speed of light
位相差ΔF(時間差ΔT)を解消(低減)するために、位相板13bは、位相差ΔF、時間差ΔTに対して、絶対値が略同一で、符号が逆の位相差ΔF2、時間差ΔT2を付与する(ΔF+ΔF2≒0、ΔT+ΔT2≒0)。すなわち、位相板13a、13bの異方性屈折率差Δn、厚さdの積「Δn・d」は、略等しく、かつ位相板13bの異方性軸Sbは、位相板13aの異方性軸Saと略直交するように設定される。 To eliminate (reduce) the phase difference ΔF (time difference ΔT), phase plate 13b imparts a phase difference ΔF2 and a time difference ΔT2 that are approximately the same in absolute value but opposite in sign to the phase difference ΔF and time difference ΔT (ΔF + ΔF2 ≒ 0, ΔT + ΔT2 ≒ 0). In other words, the product "Δn·d" of the anisotropic refractive index difference Δn and thickness d of phase plates 13a and 13b is approximately equal, and the anisotropy axis Sb of phase plate 13b is set to be approximately perpendicular to the anisotropy axis Sa of phase plate 13a.
なお、位相板13aの異方性軸Saは、偏光子12aの偏光軸Da(ここでは、Y軸)に対して、略45°の角度θaをなし、位相板13bの異方性軸Sbは、偏光子12aの偏光軸Da(ここでは、Y軸)に対して、角度-θbをなす(θa+θb≒90°)。 The anisotropy axis Sa of the phase plate 13a forms an angle θa of approximately 45° with respect to the polarization axis Da (here, the Y axis) of the polarizer 12a, and the anisotropy axis Sb of the phase plate 13b forms an angle -θb with respect to the polarization axis Da (here, the Y axis) of the polarizer 12a (θa + θb ≈ 90°).
位相板13a、13bは、同一の厚さの同一の材料から構成されることが好ましい。波長依存性も含めて特性が同一の材料を用いて、位相差の付与、解消を確実に行うためである。この材料として、例えば、水晶(Quartz)を用いることができる。例えば、レーザー光L0の波長λが、800[nm]の場合、位相板13a、13bとして、厚み180μmの水晶(Quartz)を用い、位相差ΔFを約4π(2λに相当)とすることができる。 It is preferable that phase plates 13a and 13b are made of the same material and have the same thickness. This is because using materials with the same properties, including wavelength dependency, ensures that phase differences are imparted and eliminated. Quartz, for example, can be used as this material. For example, if the wavelength λ of laser light L0 is 800 nm, phase plates 13a and 13b can be made of quartz with a thickness of 180 μm, and the phase difference ΔF can be approximately 4π (equivalent to 2λ).
レンズ14aは、対象物0Bと位相板13b(第2の位相板)との間に配置され、対象物0Bを拡大して表すための対物レンズとして機能する。レンズ14aとして、例えば、数倍から数百倍の倍率(一例として、無限遠での補正倍率10倍)のレンズを用いることができる。 Lens 14a is disposed between object 0B and phase plate 13b (second phase plate) and functions as an objective lens for magnifying and displaying object 0B. Lens 14a can be, for example, a lens with a magnification of several to several hundred times (for example, a corrected magnification of 10 times at infinity).
レンズ14bは、例えば、チューブレンズであり、レンズ14a(対物レンズ)と組み合わされて、対象物OBの像を形成する。 Lens 14b is, for example, a tube lens, and is combined with lens 14a (objective lens) to form an image of the object OB.
レンズ14c、14dは、レンズ14a、14bによって形成された像を転送するためのレンズであり、レンズ14bと撮像器16との間の距離が離れている場合に用いられる。 Lens 14c and 14d are lenses for transferring the images formed by lenses 14a and 14b, and are used when the distance between lens 14b and imager 16 is large.
フィルター15は、光源11からのレーザー光L0以外の外光を除去するための狭帯域フィルターであり、レーザー光L0の波長λの光を通過し、波長λ以外の波長の光を通過しない波長特性を有する。フィルター15の帯域幅を、例えば、10ナノメートル(半値全幅)と狭くすることで、測定のS/N比を向上することができる。 Filter 15 is a narrow-band filter for removing external light other than laser light L0 from light source 11, and has wavelength characteristics that allow light of wavelength λ of laser light L0 to pass through, but not light of wavelengths other than wavelength λ. By narrowing the bandwidth of filter 15 to, for example, 10 nanometers (full width at half maximum), the signal-to-noise ratio of the measurement can be improved.
撮像器16は、対象物OBの時間的変化を撮像するイメージセンサである。撮像器16は、時間差ΔTを有する偏光を用いて形成された、対象物OBの時間的変化を表す像を記録する。 Imager 16 is an image sensor that captures temporal changes in object OB. Imager 16 records an image that represents temporal changes in object OB, formed using polarized light with a time difference ΔT.
(光学測定装置10の動作)
以下、光学測定装置10の動作を説明する。図2は、位相板13a、13bの付近を拡大して表す図である。特に、位相板13a、13bの付近が拡大して表される。図2の(a)は、図1に対応する斜視図であり、(b)は(a)を横から見た状態を表す模式図である。以下、図2に基づき、光学測定装置10の動作を説明する。なお、レンズ14aは、以下に説明するレーザー光L1~L4の推移に実質的な影響を与えないため、図2上から省略されている。
(Operation of the optical measuring device 10)
The operation of the optical measurement device 10 will be described below. FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the phase plates 13a and 13b. In particular, the vicinity of the phase plates 13a and 13b is enlarged. FIG. 2(a) is a perspective view corresponding to FIG. 1, and FIG. 2(b) is a schematic diagram showing the state when FIG. 1(a) is viewed from the side. The operation of the optical measurement device 10 will be described below with reference to FIG. 2. Note that the lens 14a is omitted from FIG. 2 because it does not substantially affect the progression of the laser beams L1 to L4 described below.
既述のように、光源11から出射され、偏光子12aを通過したレーザー光L1が偏光子12aに入射される。詳細には、レーザー光L1は、偏光子12aの偏光軸Daの方向(ここでは、Y軸の方向)に振動する電場を有する偏光(電磁波)W1である。 As described above, laser light L1 is emitted from light source 11, passes through polarizer 12a, and is then incident on polarizer 12a. Specifically, laser light L1 is polarized light (electromagnetic waves) W1 that has an electric field that oscillates in the direction of the polarization axis Da of polarizer 12a (here, the Y-axis direction).
位相板13aに入射された偏光W1は、2つの異なる振動方向をそれぞれ有する2つの偏光W2a、W2bに分離して、出射される。偏光W2aは、位相板13aの異方性軸Saの方向に振動し、偏光W2bは、異方性軸Saに垂直な方向(ここでは、位相板13bの異方性軸Sbの方向)に振動する。偏光W2a、W2bは、位相板13aによって規定される時間差ΔTを有する。すなわち、偏光W2bが先に位相板13aから出射され、その後、時間差ΔTの経過後、偏光W2aが位相板13aから出射される。 Polarized light W1 incident on phase plate 13a is separated into two polarized lights W2a and W2b, each with two different vibration directions, which then exit. Polarized light W2a vibrates in the direction of the anisotropy axis Sa of phase plate 13a, while polarized light W2b vibrates in a direction perpendicular to the anisotropy axis Sa (here, the direction of the anisotropy axis Sb of phase plate 13b). Polarized light W2a and W2b have a time difference ΔT determined by phase plate 13a. That is, polarized light W2b exits phase plate 13a first, and then, after the time difference ΔT has elapsed, polarized light W2a exits phase plate 13a.
位相板13aから出射された偏光W2a、W2bは、順次、対象物OB内を通過して、位相板13bに到達する。ここで、時間差ΔTの間に、(1)対象物OBの状態が変化しない場合、(2)対象物OBの状態が変化する場合の双方を考える。 Polarized light W2a and W2b emitted from phase plate 13a passes through object OB in sequence and reaches phase plate 13b. Here, consider two cases: (1) the state of object OB does not change during the time difference ΔT, and (2) the state of object OB changes.
対象物OBの状態が時間差ΔTの間に変化しない場合、位相板13bに入射した偏光W2a、W2bは、時間差ΔTが解消されて、合成される。その結果、位相板13bから偏光W3(合成された偏光)が出射される。この偏光W3は、位相板13aによって位相差が付与される前の偏光W1と同一の偏光状態である。この偏光W3は、検光子12bに入射し、検光子12bの偏光軸Db方向に振動する偏光W4が出射される。ここでは、偏光W3は、偏光軸Daの方向に振動する直線偏光であり、偏光軸Db方向の振動成分を有しないため、偏光W4の強度は実質的にゼロとなる。 If the state of the object OB does not change during the time difference ΔT, the polarized light W2a and W2b incident on the phase plate 13b are combined, eliminating the time difference ΔT. As a result, polarized light W3 (combined polarized light) is emitted from the phase plate 13b. This polarized light W3 has the same polarization state as polarized light W1 before being imparted a phase difference by the phase plate 13a. This polarized light W3 enters the analyzer 12b, and polarized light W4, which vibrates in the direction of the polarization axis Db of the analyzer 12b, is emitted. In this case, polarized light W3 is linearly polarized light vibrating in the direction of the polarization axis Da, and has no vibration component in the direction of the polarization axis Db, so the intensity of polarized light W4 is essentially zero.
一方、対象物OBの状態(例えば、屈折率、透過率)が時間差ΔTの間に変化する場合、この変化は偏光W2a、W2bに位相差、強度差を付与する。このため、位相板13bに入射した偏光W2a、W2bは、時間差ΔTが解消されて、合成されても、偏光W3とは異なった偏光W3aとなる。この偏光W3aは、直線偏光であるW3と異なり、一般に、楕円偏光となる。すなわち、偏光W3aは、偏光軸Db方向の振動成分、すなわち、偏光軸Db方向の振幅ΔIxを有する。この結果、検光子12bに入射した偏光W3aは、振幅ΔIxを有する偏光W4aとして、出射される。 On the other hand, if the state of the object OB (e.g., refractive index, transmittance) changes during the time difference ΔT, this change imparts a phase difference and intensity difference to the polarized light W2a and W2b. Therefore, when the polarized light W2a and W2b enter the phase plate 13b, the time difference ΔT is eliminated and they are combined to become polarized light W3a, which is different from polarized light W3. Unlike W3, which is linearly polarized, this polarized light W3a is generally elliptically polarized. That is, polarized light W3a has a vibration component in the direction of the polarization axis Db, i.e., an amplitude ΔIx in the direction of the polarization axis Db. As a result, polarized light W3a entering the analyzer 12b is emitted as polarized light W4a with an amplitude ΔIx.
以上のように、時間差ΔTでの対象物OBの状態変化に応じて、偏光W4(W4a)の強度が変化する。これにより、時間差ΔTでの対象物OBの状態変化が測定される。すなわち、偏光W3(合成偏光)は、偏光L1に対して、時間差ΔT(所定の時間差)での対象物OBの変化に対応する、位相差または強度差の少なくとも一方を有する。この結果、光学測定装置10は、時間差ΔT(所定の時間差)のオーダ以下での対象物OBの時間的変化を測定する。 As described above, the intensity of polarized light W4 (W4a) changes in response to changes in the state of object OB over time difference ΔT. This allows the changes in the state of object OB over time difference ΔT to be measured. In other words, polarized light W3 (synthetic polarized light) has at least one of a phase difference or intensity difference with respect to polarized light L1 that corresponds to changes in object OB over time difference ΔT (predetermined time difference). As a result, the optical measurement device 10 measures temporal changes in object OB on the order of time difference ΔT (predetermined time difference) or less.
なお、この位相差は、時間差ΔT(所定の時間差)での対象物OBの屈折率または密度の変化に対応する。対象物OBの密度の変化は、例えば、気体や遮断周波数より遙かに低い密度のプラズマのような物質では、屈折率が密度の関数であるため、実質的に対象物OBの屈折率の変化として機能し、位相差をもたらす。 This phase difference corresponds to a change in the refractive index or density of the object OB over a time difference ΔT (a predetermined time difference). The change in density of the object OB substantially functions as a change in the refractive index of the object OB , resulting in a phase difference, because the refractive index is a function of density in a substance such as gas or plasma whose density is much lower than the cutoff frequency.
上記の説明は、レーザー光L0がパルス光であることを前提としていない。レーザー光L0がパルス光である場合は、次のように、光学測定装置10の動作を説明できる。すなわち、位相板13a(第1の位相板)は、レーザー光L0(パルス光)を、偏光W2a、W2b(第1、第2の偏光)にそれぞれ対応する、第1、第2のパルス光に、分割して、出射する。第1、第2のパルス光は、対象物OB内を時間差ΔT(所定の時間差)で、通過する。位相板13b(第2の位相板)は、時間差ΔTを解消して、第1、第2のパルス光を再結合して、偏光W3(再結合パルス光)として、出射する。偏光W3(再結合パルス光)は、偏光W1(パルス光)に対して、時間差ΔTでの対象物OBの変化に対応する、位相差または強度差の少なくとも一方を有する。 The above explanation does not assume that laser light L0 is pulsed light. If laser light L0 is pulsed light, the operation of optical measurement device 10 can be explained as follows. That is, phase plate 13a (first phase plate) splits laser light L0 (pulsed light) into first and second pulsed light corresponding to polarizations W2a and W2b (first and second polarizations), respectively, and emits them. The first and second pulsed light pass through object OB with a time difference ΔT (a predetermined time difference). Phase plate 13b (second phase plate) eliminates the time difference ΔT, recombines the first and second pulsed light, and emits it as polarized light W3 (recombined pulsed light). Polarized light W3 (recombined pulsed light) has at least one of a phase difference or an intensity difference with respect to polarization W1 (pulsed light) that corresponds to the change in object OB over the time difference ΔT.
以上のように、本実施形態では、位相板13a、13bを用いて時間差ΔTを発生することで、時間差ΔTのオーダ以下の超高速現象を測定することができる。例えば、時間差ΔTをf(フェムト)秒オーダ以下として、対象物OBの10f秒オーダ以下での時間的変化を測定することができる。また、時間差ΔTを0.1p(ピコ)秒オーダ以下として、対象物OBのp秒オーダ以下での時間的変化を測定してもよい。 As described above, in this embodiment, by generating a time difference ΔT using phase plates 13a and 13b, it is possible to measure ultrafast phenomena on the order of the time difference ΔT or less. For example, by setting the time difference ΔT on the order of f (femto) seconds or less, it is possible to measure temporal changes in the object OB on the order of 10 f-seconds or less. Furthermore, it is also possible to set the time difference ΔT on the order of 0.1 p-seconds or less, and measure temporal changes in the object OB on the order of p-seconds or less.
すなわち、偏光W1を時間差ΔTを有する偏光W2a、W2bに分離して、対象物OB内を追加させた後に、時間差ΔTを解消して合成することにより、対象物OBの時間的変化に対応する強度を有する偏光W4を差分信号として得ることができる。この結果、f(フェムト)秒スケールの超高速現象における、鮮明な時間差分像を取得できる。強度が高く、S/N比の高い信号による高精度での測定が可能となる。 That is, by separating polarized light W1 into polarized light W2a and W2b with a time difference ΔT, adding the inside of the object OB, and then eliminating the time difference ΔT and combining them, polarized light W4 with an intensity corresponding to the temporal change in the object OB can be obtained as a differential signal. As a result, clear time differential images of ultrafast phenomena on the f (femto) second scale can be obtained. High-precision measurements are possible using signals with high intensity and a high S/N ratio.
本実施形態では、位相板13a、13bを複屈折性材料から構成することで、複屈折性材料の屈折率差(Δn=ne-no)を用いて、時間差ΔTを高精度、例えば、アト秒オーダとすることができる。 In this embodiment, by constructing the phase plates 13a and 13b from a birefringent material, the time difference ΔT can be made highly accurate, for example, on the order of attoseconds, using the refractive index difference (Δn = n e - n o) of the birefringent material.
時間差ΔTは、対象物OBの変化時間Tc以下であることが好ましい。時間差ΔTが対象物OBの変化時間Tcより大きいと、対象物OBの時間的変化を測定する精度が大きく低下する。なお、時間差ΔTは、変化時間Tcに対して、あまりにも小さすぎると、S/N比が小さくなるので、一定のS/N比を確保できる程度までの、大きさとすることが好ましい。 It is preferable that the time difference ΔT be less than the change time Tc of the object OB. If the time difference ΔT is greater than the change time Tc of the object OB, the accuracy of measuring the temporal change of the object OB will be significantly reduced. Note that if the time difference ΔT is too small compared to the change time Tc, the S/N ratio will be small, so it is preferable to set it to a size that ensures a certain S/N ratio.
光源11にパルスレーザーを用いる場合、レーザーのパルス幅PWは、対象物OBの変化時間Tc以下であることが好ましい。パルス幅PWが対象物OBの変化時間Tcより大きいと、対象物OBの時間的変化を測定する精度が低下する。すなわち、パルス幅PWの上限を適宜に設定することで、対象物OBの時間的変化の測定精度を確保できる。なお、パルス幅PWは、変化時間Tcに対して、あまりにも小さすぎると、S/N比が小さくなるので、一定のS/N比を確保できる程度までの、大きさとすることが好ましい。 When a pulsed laser is used as the light source 11, it is preferable that the pulse width PW of the laser be equal to or less than the change time Tc of the object OB. If the pulse width PW is greater than the change time Tc of the object OB, the accuracy of measuring the change over time of the object OB decreases. In other words, by appropriately setting the upper limit of the pulse width PW, the accuracy of measuring the change over time of the object OB can be ensured. Note that if the pulse width PW is too small compared to the change time Tc, the S/N ratio will be small, so it is preferable to set it large enough to ensure a certain S/N ratio.
レーザーのパルス幅PWと時間差ΔTとを同一オーダ程度とすることが好ましい。時間差ΔTとパルス幅PWの双方を有効に利用して、測定の精度を向上することができる。後述の実施例に示すように、例えば、パルス幅:8[f秒]のレーザーパルスを5[f秒]の時間差ΔTを有する2つのパルスに分割することで、対象物OBの時間間隔15[f秒]の変化を測定できる。 It is preferable to have the laser pulse width PW and time difference ΔT on the same order of magnitude. By effectively utilizing both the time difference ΔT and the pulse width PW, measurement accuracy can be improved. As shown in the examples below, for example, by dividing a laser pulse with a pulse width of 8 fsec into two pulses with a time difference ΔT of 5 fsec, it is possible to measure a change in the time interval of 15 fsec on the object OB.
位相板13a、13bを同一の材料から構成することで、位相板13a、13bの波長依存性の相違を実質的に解消することができる。特に、レーザー光L0にパルス幅の狭いパルス光を用いると、レーザー光L0の波長λの幅が大きくなり、位相板13a、13bの波長依存性が問題となる可能性がある。位相板13a、13bを同一の材料から構成することで、この問題に対処できる。 By constructing phase plates 13a and 13b from the same material, the difference in wavelength dependence of phase plates 13a and 13b can be substantially eliminated. In particular, when pulsed light with a narrow pulse width is used for laser light L0, the width of the wavelength λ of laser light L0 becomes large, and the wavelength dependence of phase plates 13a and 13b can become a problem. By constructing phase plates 13a and 13b from the same material, this problem can be addressed.
(変形例)
本発明の変形例を説明する。変形例では、対象物OBの像を拡大するためのレンズ14a等を用いず、対象物OBの時間的変化を測定する時間微分干渉計を構成する。
(Modification)
A modified example of the present invention will now be described. In this modified example, a time differential interferometer is configured to measure changes in the object OB over time without using a lens 14a or the like for enlarging the image of the object OB.
(実施例)
以下、実施例を説明する。図3は、レーザーの照射によって発生するレーザーウェークを観察するための光学測定装置10を表す。実施例に係る光学測定装置10は、実施形態に係る光学測定装置10に光源11aを追加して構成される。なお、図1と同様の要素は同一の番号を付し、説明を省略する。
(Example)
An example will be described below. Fig. 3 shows an optical measurement device 10 for observing laser wakes generated by laser irradiation. The optical measurement device 10 according to the example is configured by adding a light source 11a to the optical measurement device 10 according to the embodiment. Elements similar to those in Fig. 1 are given the same numbers, and descriptions thereof will be omitted.
ここでは、測定する対象物OBをレーザーウェークとした。すなわち、光源11aからの超高強度レーザー光Laを気体に照射することで、レーザーウェークを発生させた。ここで、副次的に、電子ビームEも発生する。既述のように、レーザーウェークは、レーザー光Laの伝搬経路に沿って(ここでは、X軸に沿って)形成される電子プラズマの粗密波である。粗密波の電場勾配によって、電子が加速され、電子ビームEとして出射される。ここでは、時間スケール(周期)が約15[f秒]のレーザーウェークを用いた。 Here, the object to be measured OB was a laser wake. That is, a laser wake was generated by irradiating the gas with ultra-high intensity laser light La from light source 11a. An electron beam E was also generated as a by-product. As mentioned above, a laser wake is a compressional wave of electron plasma formed along the propagation path of the laser light La (here, along the X-axis). Electrons are accelerated by the electric field gradient of the compressional wave and emitted as an electron beam E. Here, a laser wake with a time scale (period) of approximately 15 fsec was used.
光源11として、次の仕様のTiSレーザーを用いた。すなわち、光源11から出射されるレーザー光L0を「中心波長λ:800[nm]、パルス幅PW:8[f秒]、最大エネルギー:100[μJ]」とした。 A TiS laser with the following specifications was used as the light source 11. That is, the laser light L0 emitted from the light source 11 had a center wavelength λ of 800 nm, a pulse width PW of 8 fsec, and a maximum energy of 100 μJ.
位相板13a、13bは、厚み180μmの水晶(Quartz)を用い、位相差ΔFを約4π(2λ相当)とした。この結果、時間差ΔTは、5[f秒]となる。 Phase plates 13a and 13b are made of quartz crystal with a thickness of 180 μm, and the phase difference ΔF is approximately 4π (equivalent to 2λ). As a result, the time difference ΔT is 5 fsec.
レンズ14aは、無限遠での補正倍率10倍の対物レンズとし、レンズ14bは、f(焦点距離)=200mmの非球面レンズのチューブレンズ、レンズ14c、14dは、それぞれ、f=100、150mmのレンズを用いた。フィルター15は、10ナノメートル(半値全幅)の狭帯域フィルターとした。 Lens 14a was an objective lens with a 10x magnification at infinity, lens 14b was an aspherical tube lens with a focal length (f) of 200 mm, and lenses 14c and 14d were lenses with f=100 and 150 mm, respectively. Filter 15 was a narrow-band filter with a full width at half maximum of 10 nanometers.
図4は、レーザーウェークを撮影した結果を示す図である。図5は、レーザーウェークの強度分布を示す図である。図4、図5の(a)は比較例、(b)は実施例のレーザーウェークの像および強度分布を表す。図5のグラフは、図4の像の明暗をΔYの範囲で積分した、X軸方向でのレーザーウェークの強度分布を表す。 Figure 4 shows the results of photographing the laser wake. Figure 5 shows the intensity distribution of the laser wake. (a) in Figures 4 and 5 shows the image and intensity distribution of the laser wake for the comparative example, and (b) for the example. The graph in Figure 5 shows the intensity distribution of the laser wake in the X-axis direction, obtained by integrating the brightness of the image in Figure 4 over the range of ΔY.
比較例は、シャドーグラフ法とした。すなわち、位相板13a、13bおよび検光子12bを取り除いた状態で、撮像器16によってレーザーウェークの像を取得した。すなわち、比較例では、単一パルスの偏光L1が対象物OBを通過して、撮像器16に入射する。一方、実施例では、単一パルスの偏光L1が2つのパルス光(偏光W2a、W2b)に分割され、時間差ΔTをもって対象物OBを通過した後、再結合されて、撮像器16に入射する。 The comparative example used the shadowgraph method. That is, the phase plates 13a, 13b and analyzer 12b were removed, and an image of the laser wake was acquired by the imager 16. That is, in the comparative example, a single pulse of polarized light L1 passes through the object OB and enters the imager 16. On the other hand, in the example, the single pulse of polarized light L1 is split into two pulses of light (polarized light W2a and W2b), which pass through the object OB with a time difference ΔT, then recombine and enter the imager 16.
比較例(図4の(a))は、レーザーウェークの像に雑音が多く含まれており、不鮮明である。一方、実施例(図4の(b))では、レーザーウェークの像が鮮明である。この点は、図5からより明瞭に示される。比較例(図5の(a))のグラフでは、レーザーウェークの周期が不明確であるのに対して、実施例(図5の(b))のグラフでは、レーザーウェークの周期が明確である。 In the comparative example (Figure 4(a)), the image of the laser wake contains a lot of noise and is unclear. On the other hand, in the example (Figure 4(b)), the image of the laser wake is clear. This point is more clearly shown in Figure 5. In the graph of the comparative example (Figure 5(a)), the period of the laser wake is unclear, whereas in the graph of the example (Figure 5(b)), the period of the laser wake is clear.
レーザーウェークは電子プラズマの粗密波であるため、この粗密の変化に応じて屈折率が変化する。この結果、本実施例では、時間差ΔTでの屈折率の相違に応じて、偏光W2a、W2b間に過渡的で且つ局所的な位相変化が生じ、偏光L4の強度が変化したと考えられる。一方、比較例では、このような時間差ΔTに起因する位相差を検知することはできない。比較例は、屈折率の差自体に起因する光の透過量の変化を検出していると考えられる。しかし、透過量の変化は非常に小さいため、信号強度、ひいては、S/N比は非常に小さい。 Because laser wakes are compressional waves of electron plasma, the refractive index changes in response to changes in this compression. As a result, in this embodiment, a transient and localized phase change occurs between polarized light W2a and W2b in response to the difference in refractive index over the time difference ΔT, causing a change in the intensity of polarized light L4. On the other hand, the comparative example is unable to detect this phase difference caused by the time difference ΔT. It is believed that the comparative example detects a change in the amount of light transmitted due to the difference in refractive index itself. However, because the change in transmission is very small, the signal strength, and therefore the S/N ratio, is very small.
このように、本実施例では、15[f秒]の超高速現象を、比較例に対して、高い信号強度、かつ、高いS/N比で測定できた。すなわち、一対の位相板13a、13bを用いて、1の偏光を、時間差ΔTを有する2つの偏光に分離して、対象物OBを通過させた後に、合成する手法が有効であることが示された。 As such, in this example, an ultrafast phenomenon of 15 fsec was measured with higher signal strength and a higher S/N ratio than in the comparative example. This demonstrates the effectiveness of a technique that uses a pair of phase plates 13a and 13b to separate one polarized light into two polarized lights with a time difference ΔT, pass them through the object OB, and then combine them.
(上記実施形態および変形例から把握される発明)
以下、上記実施形態および変形例から把握される発明を示す。
(Invention understood from the above embodiment and modifications)
The invention that can be understood from the above-described embodiment and modifications will be described below.
(1)本発明の第1の態様に係る光学測定装置は、対象物の時間的変化を光学的に測定する光学測定装置であって、偏光が入射される第1の位相板と、前記対象物を挟んで、前記第1の位相板と対向し、前記第1の位相板から出射され、かつ前記対象物を通過した偏光が入射される第2の位相板と、前記第2の位相板から出射される偏光が入射される偏光子と、を備え、前記第1の位相板は、前記入射された偏光を第1、第2の偏光へと分解して、所定の時間差で、出射し、前記第2の位相板は、前記第1、第2の偏光間の前記所定の時間差を解消して、前記第1、第2の偏光を合成した合成偏光を出射する。これにより、所定の時間差で対象物を通過する第1、第2の偏光を用いて、対象物の時間的変化を光学的に測定できる。 (1) An optical measurement device according to a first aspect of the present invention is an optical measurement device that optically measures changes over time in an object, and includes a first phase plate onto which polarized light is incident, a second phase plate that faces the first phase plate across the object and onto which polarized light that is emitted from the first phase plate and has passed through the object is incident, and a polarizer onto which the polarized light emitted from the second phase plate is incident, wherein the first phase plate decomposes the incident polarized light into first and second polarized light components and emits them with a predetermined time difference, and the second phase plate eliminates the predetermined time difference between the first and second polarized light components and emits a composite polarized light that is a composite of the first and second polarized light components. This makes it possible to optically measure changes over time in the object using the first and second polarized light components that pass through the object with a predetermined time difference.
(2)本発明の第2の態様に係る光学測定装置において、前記合成偏光は、前記偏光に対して、前記所定の時間差での前記対象物の変化に対応する、位相差または強度差の少なくとも一方を有し、前記光学測定装置は、前記所定の時間差のオーダ以下での前記対象物の時間的変化を測定する。これにより、所定の時間差での対象物の変化に対応する、位相差または強度差の少なくとも一方を有する合成偏光を用いて、対象物の時間的変化を光学的に測定できる。 (2) In the optical measurement device according to the second aspect of the present invention, the synthetic polarized light has at least one of a phase difference or an intensity difference with respect to the polarized light that corresponds to a change in the object at the predetermined time difference, and the optical measurement device measures a temporal change in the object at an order of magnitude less than the predetermined time difference. This makes it possible to optically measure a temporal change in the object using synthetic polarized light that has at least one of a phase difference or an intensity difference that corresponds to a change in the object at the predetermined time difference.
(3)本発明の第3の態様に係る光学測定装置において、前記位相差は、前記所定の時間差での前記対象物の屈折率または密度の変化に対応する。これにより、対象物の屈折率または密度の時間的変化を光学的に測定できる。 (3) In the optical measurement device according to the third aspect of the present invention, the phase difference corresponds to a change in the refractive index or density of the object at the predetermined time difference. This makes it possible to optically measure the change in the refractive index or density of the object over time.
(4)本発明の第4の態様に係る光学測定装置において、前記所定の時間差は0.1p(ピコ)秒オーダ以下であり、前記光学測定装置は前記対象物のp秒オーダ以下での変化を測定する。これにより、対象物のp秒オーダ以下での変化を測定できる。また、前記所定の時間差はf(フェムト)秒オーダ以下であり、前記光学測定装置は前記対象物の10f秒オーダ以下での変化を測定してもよい。これにより、対象物のp秒オーダ以下での変化を測定できる。 (4) In the optical measurement device according to the fourth aspect of the present invention, the predetermined time difference is on the order of 0.1 picoseconds or less, and the optical measurement device measures changes in the object on the order of picoseconds or less. This makes it possible to measure changes in the object on the order of picoseconds or less. Alternatively, the predetermined time difference may be on the order of femtoseconds or less, and the optical measurement device may measure changes in the object on the order of 10 femtoseconds or less. This makes it possible to measure changes in the object on the order of picoseconds or less.
(5)本発明の第5の態様に係る光学測定装置において、前記所定の時間差はf(フェムト)秒オーダ以下であり、前記光学測定装置は前記対象物の10f秒オーダ以下での変化を測定する。これにより、対象物の10f秒オーダ以下での変化を測定できる。 (5) In the optical measurement device according to the fifth aspect of the present invention, the predetermined time difference is on the order of f (femto) seconds or less, and the optical measurement device measures changes in the object on the order of 10 fsec or less. This makes it possible to measure changes in the object on the order of 10 fsec or less.
(6)本発明の第6の態様に係る光学測定装置において、前記所定の時間差ΔTは、次の式によって規定される。ΔT=c/(Δn・d)、Δn:前記第1、第2の偏光に対する前記第1の位相板の屈折率差、d: 前記第1の位相板の厚さ、c: 光の速度。これにより、第1の位相板の屈折率差および厚さによって、所定の時間差ΔTを適宜に設定できる。 (6) In the optical measurement device according to the sixth aspect of the present invention, the predetermined time difference ΔT is defined by the following formula: ΔT = c/(Δn d), where Δn is the refractive index difference of the first phase plate for the first and second polarized light, d is the thickness of the first phase plate, and c is the speed of light. This allows the predetermined time difference ΔT to be appropriately set depending on the refractive index difference and thickness of the first phase plate.
(7)本発明の第7の態様に係る光学測定装置において、前記第1の位相板に入射される偏光は、パルス光であり、前記第1の位相板は、前記パルス光を、前記第1、第2の偏光にそれぞれ対応する、第1、第2のパルス光に、分割して、出射し、前記第1、第2のパルス光は、前記対象物内を前記所定の時間差で、通過し、前記第2の位相板は、前記所定の時間差を解消して、前記第1、第2のパルス光を再結合して、再結合パルス光として、出射し、前記再結合パルス光は、前記パルス光に対して、前記所定の時間差での前記対象物の変化に対応する、位相差または強度差の少なくとも一方を有する。これにより、パルス光を用いて、対象物の時間的変化をより正確に測定できる。 (7) In the optical measurement device according to the seventh aspect of the present invention, the polarized light incident on the first phase plate is pulsed light, and the first phase plate splits and emits first and second pulsed light corresponding to the first and second polarized light, respectively. The first and second pulsed light pass through the object with the predetermined time difference. The second phase plate eliminates the predetermined time difference, recombines the first and second pulsed light, and emits the recombined pulsed light. The recombined pulsed light has at least one of a phase difference or an intensity difference with respect to the pulsed light that corresponds to the change in the object at the predetermined time difference. This enables more accurate measurement of changes in the object over time using pulsed light.
(8)本発明の第8の態様に係る光学測定装置は、前記対象物と前記第2の位相板との間に配置され、前記対象物を拡大して表すための対物レンズを備える。これにより、対象物を拡大して、その時間的変化を観察するための顕微鏡を構成できる。 (8) An optical measurement device according to an eighth aspect of the present invention includes an objective lens disposed between the object and the second phase plate for magnifying and displaying the object. This allows for the configuration of a microscope for magnifying the object and observing its changes over time.
(9)本発明の第9の態様に係る光学測定装置において、前記第1、第2の位相板は、同一の材料から構成される。これにより、第1の位相板に入射される偏光が波長の不均一性を有する場合であっても、第1の位相板での所定の時間差を第2の位相板によって解消することが容易となる。すなわち、第1、第2の位相板の波長依存性が異なると、第1、第2の位相板の厚さを調節しても、第2の位相板によって所定の時間差を解消することはできない。例えば、偏光が、時間幅の狭いパルス光である場合、波長の不均一性が大きくなり易い。 (9) In the optical measurement device according to the ninth aspect of the present invention, the first and second phase plates are made of the same material. This makes it easy to eliminate the predetermined time difference at the first phase plate by using the second phase plate, even if the polarized light incident on the first phase plate has wavelength non-uniformity. In other words, if the wavelength dependencies of the first and second phase plates are different, the predetermined time difference cannot be eliminated by using the second phase plate, even if the thicknesses of the first and second phase plates are adjusted. For example, if the polarized light is pulsed light with a narrow time width, wavelength non-uniformity is likely to be large.
(10)本発明の第10の態様に係る光学測定装置は、対象物の時間的変化を光学的に測定する光学測定方法であって、偏光が第1の位相板に入射する工程と、前記第1の位相板に入射された偏光が、所定の時間差を有する第1、第2の偏光に分解されて出射する工程と、前記第1、第2の偏光が、前記所定の時間差で対象物内を通過する工程と、前記対象物内を通過した前記第1、第2の偏光が、第2の位相板に入射する工程と、前記第2の位相板に入射された前記第1、第2の偏光が、前記所定の時間差を解消されて、前記第1、第2の偏光を合成した合成偏光として出射する工程と、を有する。これにより、所定の時間差で対象物を通過する第1、第2の偏光を用いて、対象物の時間的変化を光学的に測定できる。 (10) An optical measurement device according to a tenth aspect of the present invention is an optical measurement method for optically measuring changes over time in an object, comprising the steps of: incidenting polarized light on a first phase plate; decomposing the polarized light incident on the first phase plate into first and second polarized light having a predetermined time difference and emitting the resulting light; causing the first and second polarized light to pass through the object with the predetermined time difference; incidenting the first and second polarized light that have passed through the object on a second phase plate; and eliminating the predetermined time difference between the first and second polarized light incident on the second phase plate and emitting the resulting composite polarized light that is a composite of the first and second polarized light. This allows optical measurement of changes over time in the object using the first and second polarized light that pass through the object with the predetermined time difference.
本発明は上述した各実施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形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims. Embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
10 光学測定装置
11 光源
12a 偏光子
12b 検光子
13a、13b 位相板
14a~14d レンズ
15 フィルター
16 撮像器
10 Optical measurement device 11 Light source 12a Polarizer 12b Analyzer 13a, 13b Phase plates 14a to 14d Lens 15 Filter 16 Imager
Claims (10)
偏光が入射される第1の位相板と、
前記対象物を挟んで、前記第1の位相板と対向し、前記第1の位相板から出射され、かつ前記対象物を通過した偏光が入射される第2の位相板と、
前記第2の位相板から出射される偏光が入射される検光子と、
を備え、
前記第1の位相板は、前記入射された偏光を第1、第2の偏光へと分解して、0.1p秒オーダ以下の所定の時間差で、出射し、
前記第2の位相板は、前記第1、第2の偏光間の前記0.1p秒オーダ以下の所定の時間差を解消して、前記第1、第2の偏光を合成した合成偏光を出射する、光学測定装置。 An optical measurement device that optically measures temporal changes of an object on the order of p (pico) seconds or less ,
a first phase plate onto which polarized light is incident;
a second phase plate that faces the first phase plate with the object in between, and to which polarized light that has exited from the first phase plate and passed through the object is incident;
an analyzer onto which the polarized light output from the second phase plate is incident;
Equipped with
the first phase plate separates the incident polarized light into first and second polarized lights, and outputs the first and second polarized lights with a predetermined time difference of the order of 0.1 picoseconds or less ;
The second phase plate eliminates the predetermined time difference of the order of 0.1 picoseconds or less between the first and second polarized lights, and outputs a composite polarized light obtained by combining the first and second polarized lights.
偏光が入射される第1の位相板と、a first phase plate onto which polarized light is incident;
前記対象物を挟んで、前記第1の位相板と対向し、前記第1の位相板から出射され、かつ前記対象物を通過した偏光が入射される第2の位相板と、a second phase plate that faces the first phase plate with the object in between, and to which polarized light that has exited from the first phase plate and passed through the object is incident;
前記第2の位相板から出射される偏光が入射される検光子と、an analyzer onto which the polarized light output from the second phase plate is incident;
を備え、Equipped with
前記第1の位相板は、前記入射された偏光を第1、第2の偏光へと分解して、f秒オーダ以下の所定の時間差で、出射し、the first phase plate decomposes the incident polarized light into first and second polarized lights and outputs them with a predetermined time difference of the order of f seconds or less;
前記第2の位相板は、前記第1、第2の偏光間の前記f秒オーダ以下の所定の時間差を解消して、前記第1、第2の偏光を合成した合成偏光を出射する、光学測定装置。The second phase plate eliminates the predetermined time difference of the order of f seconds or less between the first and second polarized lights, and outputs a composite polarized light obtained by combining the first and second polarized lights.
偏光が入射される、1/4波長板を除く、第1の位相板と、a first phase plate, excluding a quarter wave plate, onto which polarized light is incident;
前記対象物を挟んで、前記第1の位相板と対向し、前記第1の位相板から出射され、かつ前記対象物を通過した偏光が入射される、1/4波長板を除く、第2の位相板と、a second phase plate, excluding a quarter-wave plate, facing the first phase plate with the object in between, onto which polarized light emitted from the first phase plate and passed through the object is incident;
前記第2の位相板から出射される偏光が入射される検光子と、an analyzer onto which the polarized light output from the second phase plate is incident;
を備え、Equipped with
前記第1の位相板は、前記入射された偏光を第1、第2の偏光へと分解して、所定の時間差で、出射し、the first phase plate decomposes the incident polarized light into first and second polarized light and outputs them with a predetermined time difference;
前記第2の位相板は、前記第1、第2の偏光間の前記所定の時間差を解消して、前記第1、第2の偏光を合成した合成偏光を出射する、光学測定装置。The second phase plate eliminates the predetermined time difference between the first and second polarized lights and outputs a composite polarized light obtained by combining the first and second polarized lights.
前記所定の時間差のオーダ以下での前記対象物の時間的変化を測定する、請求項1から3のいずれか1項に記載の光学測定装置。 the composite polarized light has at least one of a phase difference or an intensity difference with respect to the polarized light, the phase difference or intensity difference corresponding to a change in the object at the predetermined time difference;
The optical measurement device according to claim 1 , wherein the optical measurement device measures a temporal change in the object on the order of the predetermined time difference or less.
ΔT=c/(Δn・d)
Δn:前記第1、第2の偏光に対する前記第1の位相板の屈折率差
d:前記第1の位相板の厚さ
c:光の速度 6. The optical measurement device according to claim 1, wherein the predetermined time difference (ΔT) is defined by the following formula:
ΔT = c/(Δn d)
Δn: refractive index difference of the first phase plate for the first and second polarized lights, d: thickness of the first phase plate, and c: speed of light.
前記第1の位相板は、前記パルス光を、前記第1、第2の偏光にそれぞれ対応する、第
1、第2のパルス光に、分割して、出射し、
前記第1、第2のパルス光は、前記対象物内を前記所定の時間差で、通過し、
前記第2の位相板は、前記所定の時間差を解消して、前記第1、第2のパルス光を再結
合して、再結合パルス光として、出射し、
前記再結合パルス光は、前記パルス光に対して、前記所定の時間差での前記対象物の変
化に対応する、位相差または強度差の少なくとも一方を有する、
請求項1から6のいずれか1項に記載の光学測定装置。 the polarized light incident on the first phase plate is pulsed light,
the first phase plate splits the pulsed light into first and second pulsed light corresponding to the first and second polarized lights, respectively, and outputs the split light;
the first and second pulsed lights pass through the object with the predetermined time difference;
the second phase plate eliminates the predetermined time difference, recombines the first and second pulsed beams, and outputs the recombined pulsed beam;
the recombined pulsed light has at least one of a phase difference and an intensity difference with respect to the pulsed light, which corresponds to a change in the object at the predetermined time difference;
7. An optical measuring device according to claim 1.
物レンズを備える、請求項1から7のいずれか1項に記載の光学測定装置。 8. The optical measurement device according to claim 1, further comprising an objective lens arranged between the object and the second phase plate for magnifying and representing the object.
偏光が第1の位相板に入射する工程と、
前記第1の位相板に入射された偏光が、0.1p秒オーダ以下の所定の時間差を有する第1、第2の偏光に分解されて出射する工程と、
前記第1、第2の偏光が、前記所定の時間差で対象物内を通過する工程と、
前記対象物内を通過した前記第1、第2の偏光が、第2の位相板に入射する工程と、
前記第2の位相板に入射された前記第1、第2の偏光が、前記0.1p秒オーダ以下の所定の時間差を解消されて、前記第1、第2の偏光を合成した合成偏光として出射する工程と、
を有する、光学測定方法。 An optical measurement method for optically measuring temporal changes of an object on the order of p (pico) seconds or less , comprising:
polarized light incident on a first phase plate;
a step of separating polarized light incident on the first phase plate into first and second polarized light having a predetermined time difference of the order of 0.1 picoseconds or less and emitting the separated polarized light;
a step of passing the first and second polarized lights through an object with the predetermined time difference;
The first and second polarized lights that have passed through the object are incident on a second phase plate;
a step of eliminating the predetermined time difference of the order of 0.1 picoseconds or less between the first and second polarized lights incident on the second phase plate and outputting the first and second polarized lights as a composite polarized light obtained by combining the first and second polarized lights;
An optical measurement method comprising:
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