製品 | 2021/1/6

2次元複屈折評価システム「PA/WPシリーズ」の測定原理、装置の構成、測定事例について詳しくご紹介します。

2次元複屈折評価システムPA/WPAシリーズ

目次

1.複屈折測定の基本

光の三要素

光の振幅:明るさ

①振幅:明るさ

光の波長:色

②波長:色

③振動方向:偏光

光の振動方向:偏光polarization

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。

偏光と偏光子を使った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

偏光子polarizer

入射光の偏光 ∥ 偏光子の透過軸

       ↓

      100%透過

偏光子polarizer

入射光の偏光 ⊥ 偏光子の透過軸

       ↓

       0%透過

偏光子polarizer

     45度の場合…

       ↓

       50%透過

偏光と複屈折と位相差について

◆屈折率とは:光の通り易さ

屈折率refractive index

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。

◆複屈折とは:偏光により屈折率が違う状態

屈折率refractive index

複屈折値の例

材料常光異常光複屈折値
(⊿n)
方解石1.65841.48640.172
水晶1.54431.55340.0091
サファイア1.7681.760.008
1.3091.3130.004

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

複屈折が偏光状態に及ぼす影響

◆偏光成分の位相差とトータルの偏光状態

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。

同位相

※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)

直線偏光linear polarization
直線偏光linear polarization

直線偏光

位相差90度

※赤の波が最大値のとき、緑の波が0

円偏光circular polarization
円偏光circular polarization

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。

複屈折birefringenceの変化

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。

◆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birefringence
通り抜ける前後で
偏光状態は変わらない

複屈折birefringence
クロスニコル配置の偏光に
挟んでも見えない。

【複屈折のある透明体】

複屈折birefringence
通り抜けた光線の
偏光状態が変化する
複屈折birefringence
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。

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。

応力による複屈折の発生

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。

応力Stress
応力なし
応力Stress
応力印加

複屈折= β×応力F (1012Pa)

※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 (105 Pa)       

 ~βは光弾性係数 [ 1012/Pa ]

例えば、厚さ1mmの石英に1MPa(106Pa)の応力で発生する位相差は   

3.5×0.1×10=3.5nm     

と計算できる。

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0.005

※水晶の複屈折は約0.01(1.55-1.54)、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。

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。

複屈折birefringence

可能な計算の流れ

①偏光計測

②位相差の算出 (偏光状態の変化から計算)

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)

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。

お問い合わせ