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

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目次

  • 1.複屈折とは?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.装置の基本構成と評価例
  • 4.測定レンジの限界とその拡張(WPAシリーズ)
  • 1.複屈折とは?複屈折測定の基本

    光の三要素

    ①振幅:明るさ

    ②波長:色

    光の波長: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

    複屈折とは:偏光と位相差について

    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。

    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。

    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、以下の理由で、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。 

    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

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