偏振状态测定装置以及偏振状态测定方法.pdf

偏振状态测定装置以及偏振状态测定方法，光学装置（3）具有对透过光进行检测并射出的检光部（314），该透过光是从光源（300）射出并由第2偏振部（308）进行转换后的线偏振光透过被检体（S）后的光。并且光学装置（3）具有；对来自检光部（314）的出射光进行垂直分离的垂直分离部（316）、和接收由垂直分离部（316）进行垂直分离后的光的受光部（320）。运算装置将旋转控制信号输出到旋转装置（330），以使旋转面与透过光的光路垂直的方式对检光部（314）进行旋转控制。运算装置使用在检光部（314）的旋转中由受光部（320）接收被垂直分离部（316）垂直分离后的光而得到的强度，来测定透过被检体（S）的透过光的偏振状态。

权利要求书一种偏振状态测定装置，该偏振状态测定装置具备：
检光部，其对线偏振光透过被检体后的透过光进行检测并射出；
垂直分离部，其对来自所述检光部的出射光进行垂直分离；
受光部，其接收由所述垂直分离部进行垂直分离后的光；
旋转控制部，其使所述检光部以旋转面与所述透过光的光路垂直的方式旋转；以及
偏振状态测定部，其使用在所述检光部的旋转中由所述受光部接收进行所述垂直分离后的光而得到的强度来测定所述透过光的偏振状态。
根据权利要求1所述的偏振状态测定装置，其中，
所述旋转控制部使所述检光部在规定的角度范围内旋转。
根据权利要求1或2所述的偏振状态测定装置，其中，
所述偏振状态测定部具有使用所述接收的光的强度来判定所述透过光的振动轨迹的振动轨迹判定部，使用由该振动轨迹判定部判定的振动轨迹来测定所述透过光的偏振状态。
根据权利要求1或2所述的偏振状态测定装置，其中，
所述偏振状态测定部将所述透过光视为椭圆偏振光，测定椭圆的特征值，由此测定所述偏振状态。
根据权利要求1或2所述的偏振状态测定装置，其中，
所述线偏振光的偏角为45°。
根据权利要求1或2所述的偏振状态测定装置，其中，
所述检光部具有格兰汤普森棱镜。
根据权利要求1或2所述的偏振状态测定装置，其中，
所述垂直分离部具有沃拉斯顿棱镜。
一种偏振状态测定方法，该偏振状态测定方法对光学装置进行控制来测定透过光的偏振状态，所述光学装置具备：检光部，其对线偏振光透过被检体后的所述透过光进行检测并射出；垂直分离部，其对来自所述检光部的出射光进行垂直分离；以及受光部，其接收由所述垂直分离部进行垂直分离后的光，
所述偏振状态测定方法包含以下步骤：
使所述检光部以旋转面与所述透过光的光路垂直的方式旋转；以及
使用在所述检光部的旋转中由所述受光部接收进行所述垂直分离后的光而得到的强度来测定所述透过光的偏振状态。

说明书偏振状态测定装置以及偏振状态测定方法
技术领域
本发明涉及对线偏振光透过被检体后的透过光的偏振状态进行测定的装置等。
背景技术
通过测定透过物质后的光，能够在不直接接触该物质的情况下，了解物质的状态。例如，公知有被称为旋光性的性质：当线偏振光通过葡萄糖那样的光学活性物质时，其偏振面发生旋转。线偏振光是左右圆偏振光的重合。因为与左右圆偏振光分别对应的折射率不同，所以左右圆偏振光在物质内行进的速度产生差异。因此，在通过被检体后的左右圆偏振光中产生相位差，将该左右圆偏振光合成后的光的偏振面发生了旋转。
此外，当线偏振光入射到对于左右圆偏振光的吸收率不同的物质（手性物质）时，由于称为圆偏振光二色性（圆二色性）的特性，左右圆偏振光的光振幅（光的大小）发生变化。由于该旋光性和圆偏振光二色性，通过物质后的透过光成为与入射时相比偏振面发生了旋转的椭圆偏振光。例如在专利文献1～3中公开了关注于圆偏振光二色性和旋光性的偏振状态的测定技术。
专利文献1：国际公开第2007/029652号公报说明书
专利文献2：日本特开2007‑93289号公报
专利文献3：日本特开2004‑340833号公报
例如，在专利文献2公开的技术中，使通过液晶元件后的光入射到被检体，控制对该液晶元件的施加电压，由此使得具有各种相位差的光入射到被检体。然后，对透过被检体后的各相位差的光的强度进行检测，由此测定被检体的偏振状态。但是，产生相位差的液晶元件的温度依赖性较高，因此存在如下问题：如果不在保持恒温的状态下进行测定，则偏振状态的测定精度就会降低。
此外，在专利文献3公开的技术中，将包含等量的左右圆偏振光成分的光照射到被检体。然后，将透过被检体后的透过光垂直分离为左右圆偏振光，对垂直分离后的偏振光的光强度进行检测，评价被检体的圆偏振光二色性。但是，专利文献3的方法是以完全不存在构成光学系统的偏振元件或棱镜的精度、组装误差等与光学系统有关的误差（以下，统称为“光学系统误差”。）的理想状态为前提。完全不存在光学系统误差的状态在实际应用中是无法得到的。此外，为了测定偏振状态，需要捕捉透过被检体的透过光的光强度的微小变化，由于微小的光学系统误差也会影响测定误差，因此不能忽视光学系统误差。
发明内容
本发明正是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提出一种对透过被检体的透过光的偏振状态进行测定的新颖手法。
用于解决以上课题的第1方式是一种偏振状态测定装置，其具备：检光部，其对线偏振光透过被检体后的透过光进行检测并射出；垂直分离部，其对来自所述检光部的出射光进行垂直分离；受光部，其接收由所述垂直分离部进行垂直分离后的光；旋转控制部，其使所述检光部以旋转面与所述透过光的光路垂直的方式旋转；以及偏振状态测定部，其使用在所述检光部的旋转中由所述受光部接收进行所述垂直分离后的光而得到的强度来测定所述透过光的偏振状态。
此外，作为其他方式，可以构成一种偏振状态测定方法，该偏振状态测定方法对光学装置进行控制来测定透过光的偏振状态，所述光学装置具备：检光部，其对线偏振光透过被检体后的所述透过光进行检测并射出；垂直分离部，其对来自所述检光部的出射光进行垂直分离；以及受光部，其接收由所述垂直分离部进行垂直分离后的光，所述偏振状态测定方法包含以下步骤：使所述检光部以旋转面与所述透过光的光路垂直的方式旋转，以及使用在所述检光部的旋转中由所述受光部接收进行所述垂直分离后的光而得到的强度来测定所述透过光的偏振状态。
根据该第1方式等，使检光部以旋转面与透过光的光路垂直的方式旋转。并且，使用在检光部的旋转中由受光部接收进行垂直分离后的光而得到的强度来测定透过被检体的透过光的偏振状态。由于被检体所具有的圆偏振光二色性以及旋光性，线偏振光透过被检体后的透过光成为偏振面发生了旋转的椭圆偏振光。通过观测在检光部的旋转中由受光部接收进行垂直分离后的光而得到的强度所描绘的轨迹，能够对透过被检体的透过光的偏振状态进行测定。此外，在该结构中，能够以由受光部接收的光的强度所描绘的轨迹的形式来捕捉因构成光学系统的偏振元件和棱镜的精度、组装误差等引起的光学系统误差，因此能够一并对光学系统误差进行校正。
此外，作为第2方式，偏振状态测定装置可以构成为，第1方式的偏振状态测定装置中的所述旋转控制部使所述检光部在规定的角度范围内旋转。
根据该第2方式，旋转控制部使检光部在规定的角度范围内旋转。例如，可以将规定的角度范围设为能够确定由受光部接收的光的强度所描绘的轨迹的长轴方向的顶点和短轴方向的顶点的角度范围。通过使检光部在该角度范围内旋转，能够对透过被检体的透过光的偏振状态进行测定。
此外，作为第3方式，偏振状态测定装置可以构成为，第1或第2方式的偏振状态测定装置中的所述偏振状态测定部具有使用所述接收的光的强度来判定所述透过光的振动轨迹的振动轨迹判定部，使用由该振动轨迹判定部判定的振动轨迹来测定所述透过光的偏振状态。
根据该第3方式，使用接收的光的强度来判定透过光的振动轨迹。透过光的振动轨迹是表示作为椭圆偏振光的透过光的振动方向的轨迹。使用在检光部的旋转中由受光部接收进行垂直分离后的光而得到的强度来判定该透过光的振动轨迹。而且，通过使用判定的振动轨迹，能够可靠地进行透过光的偏振状态的测定。
此外，作为第4方式，偏振状态测定装置可以构成为，第1～第3方式中任意一个方式的偏振状态测定装置中的所述偏振状态测定部将所述透过光视为椭圆偏振光，测定椭圆的特征值，由此测定所述偏振状态。
根据该第4方式，将透过光视为椭圆偏振光，对椭圆的特征值进行测定。椭圆的特征值例如可列举出椭圆的长轴和短轴的长度。通过对这些特征值进行测定，能够准确地掌握椭圆偏振光的形状。
此外，作为第5方式，偏振状态测定装置可以构成为，第1～第4方式中任意一个方式的偏振状态测定装置中的所述线偏振光的偏角为45°。
根据该第5方式，通过使入射到被检体的线偏振光的偏角成为45°，能够捕捉受光部接收由垂直分离部进行垂直分离后的光而得到的强度的微小变化，以较高的准确性来测定偏振状态。
此外，作为第6方式，偏振状态测定装置可以构成为，第1～第5方式中任意一个方式的偏振状态测定装置中的所述检光部具有格兰汤普森棱镜。
根据该第6方式，由于检光部具有格兰汤普森棱镜，因此能够得到较高的偏振纯度（该情况可以说是检测的纯度。）。
此外，作为第7方式，偏振状态测定装置可以构成为，第1～第6方式中任意一个方式的偏振状态测定装置中的所述垂直分离部具有沃拉斯顿棱镜。
根据该第7方式，由于垂直分离部具有沃拉斯顿棱镜，因此能够对从检光部射出的线偏振光进行简单且精确的垂直分离。
附图说明
图1是示出偏振状态测定装置的功能结构的框图。
图2是构成光学装置的光学系统的结构图。
图3是偏振状态测定的原理的说明图。
图4是偏振状态测定的原理的说明图。
图5是偏振状态测定的原理的说明图。
图6是光强度数据的数据结构图。
图7是示出偏振状态测定处理的流程的流程图。
图8是示出第2偏振状态测定处理的流程的流程图。
标号说明
1：偏振状态测定装置；3：光学装置；5：运算装置，
300：光源；302：减光部；304：第1偏振部；306：相位差调整部，
308：第2偏振部；310：第1聚光部；312：第2聚光部，
314：检光部；316：垂直分离部；318：第3聚光部；320：受光部，
330：旋转装置；510：处理部；520：输入部；530：显示部，
540：声音输出部；550：通信部；560：存储部；580：总线。
具体实施方式
以下，参照附图来说明将本发明应用于使用光学装置对被检体的透过光的偏振状态进行测定的偏振状态测定装置的实施方式。但是，可以应用本发明的实施方式显然不限于以下说明的实施方式。
图1是示出本实施方式中的偏振状态测定装置1的功能结构的一例的框图。作为偏振状态测定装置1的主要结构，构成为具备光学装置3和运算装置5。偏振状态测定装置1被安装在例如测定水果的糖分的糖分测定装置、或测定人的血糖值的血糖值测定装置等测定用设备中而进行使用。
1．光学装置3的结构
图2是示出光学装置3的光学结构的概略的图。光学装置3例如构成为具有：光源300、减光部302、第1偏振部304、相位差调整部306、第2偏振部308、第1聚光部310、第2聚光部312、检光部314、垂直分离部316、第3聚光部318、受光部320、以及旋转装置330。
在第1聚光部310与第2聚光部312之间配置有被检体S。被检体S可以是含有光学活性物质的固体或液体等任意的试样。在本实施方式中，将被检体S设为以葡萄糖为主成分的试剂。在该实施方式中，为了对被检体S的圆偏振光二色性或旋光性进行评价，对透过被检体S的透过光的偏振状态进行测定。
光源300是生成并射出光的装置，例如构成为具有半导体激光器（激光二极管）。光源300从作为半反射镜的端面放射出激光，该激光是规定波长（例如650纳米“nm”）的相位一致的光。
减光部302是使从光源300放射的光的量减少的元件，其构成为具有例如ND（Neutral Density：中性密度）滤镜等光学滤镜。
第1偏振部304是将由减光部302进行减光后的光转换为线偏振光的元件（偏振元件），其构成为具有例如偏振棱镜等偏振用光学元件。
相位差调整部306是对第1偏振部304的出射光的相位差进行调整的元件（相位元件），构成为具有例如波长板等延迟板（retardation plate）。在本实施方式中，相位差调整部306具有1/2波长板。
第2偏振部308是将被相位差调整部306调整了相位差后的偏振光转换为线偏振光的元件（偏振元件），构成为具有例如偏振棱镜等偏振用光学元件。在本实施方式中，第2偏振部308具有作为格兰类型的偏振元件的一种的格兰汤普森棱镜。
第1聚光部310是对从第2偏振部308入射的线偏振光进行聚光的元件，构成为具有例如聚光透镜。由第1聚光部310聚光后的光入射到被检体S。
第2聚光部312是对透过被检体S的透过光进行聚光的透镜，由第2聚光部312聚光后的光入射到检光部314。
检光部314是对由第2聚光部312聚光后的透过光进行检测的元件（检光元件），构成为具有例如偏振棱镜等偏振用光学元件。在本实施方式中，检光部314与第2偏振部308同样，具有格兰汤普森棱镜。
此外，检光部314按照旋转装置330的旋转驱动，沿着与光的入射方向垂直的方向（检光元件的周向）旋转。即，旋转装置330使检光部314以旋转面与透过被检体S的透过光的光路垂直的方式旋转。旋转装置330是具有例如在每次施加脉冲电力时旋转一定角度的步进电机等旋转机构的装置，根据从运算装置5输出的旋转控制信号对检光部314进行旋转驱动。
垂直分离部316是将从检光部314入射的线偏振光分离为形成规定的孔径角的垂直成分的元件。在本实施方式中，垂直分离部316具有作为偏振用光学元件的一种的沃拉斯顿棱镜。
第3聚光部318是对由垂直分离部316进行垂直分离后的线偏振光进行聚光的聚光透镜。由第3聚光部318聚光后的线偏振光入射到受光部320。
受光部320是接收由垂直分离部316进行垂直分离并由第3聚光部318进行聚光后的线偏振光的元件，其构成为具有光电二极管等光检测器。受光部320具有第1受光部320A以及第2受光部320B，对由垂直分离部316进行垂直分离后的相互垂直的偏振光成分（P成分以及S成分）进行检测，将与其光强度对应的电压值作为检测电压（Ex，Ey），输出到运算装置5。
2．原理
在图2的下部示意地描绘出从光学装置3具有的各构成部射出的光的偏振状态。在本实施方式中，将来自光源300的出射光的行进方向设为z轴，在图2的下部，面向纸面，将前后方向设为z轴方向进行了图示，所述前后方向以近前方向为正。此外，将包含光的行进方向以及磁场的面设为zy平面，将包含光的行进方向以及电场的面设为zx平面，将与这些平面垂直的xy平面设为上下左右方向的平面进行了图示。此外，在xy平面中，用椭圆形状来表示椭圆偏振光，用直线状的矢量来表示线偏振光。
从光源300射出并被减光部302减光后的光例如是与偏角为“α0”的线偏振光近似的椭圆偏振光，可以说是近似的线偏振光。其中，在图2中，将偏振光的电场矢量与x轴所成的角度定义为偏角“α”。该偏角“α0”的椭圆偏振光被第1偏振部304转换为与线偏振光更近似的椭圆偏振光。即，如图2所示，偏角“α0”保持不变且椭圆的短轴长度略微缩短后的椭圆偏振光从第1偏振部304射出。
来自第1偏振部304的出射光被相位差调整部306进行相位差调整。在本实施方式中，相位差调整部306具有1/2波长板。因此，入射到相位差调整部306的偏振光的偏振面发生旋转。即，在将入射光的偏振光方向与1/2波长板的光轴所成的角度设为“γ”的情况下，来自相位差调整部306的出射光与入射光的偏振方向相比，受到“2γ”的旋转。由此，来自相位差调整部306的出射光成为偏角例如为“α1（<α0）”的椭圆偏振光。
来自相位差调整部306的出射光被第2偏振部308转换为基本完美的线偏振光。在本实施方式中，第2偏振部308构成为具有格兰汤普森棱镜。因此，对于入射光的光路未发生变化，正常光线成分以及异常光线成分中的异常光线成分作为线偏振光而射出。由此，来自第2偏振部308的出射光成为偏角为“α1”的线偏振光。
由于被检体S所具有的旋光性，入射到被检体S的线偏振光的偏振面发生旋转。在本实施方式中，被检体S是以葡萄糖为主成分的水溶液。葡萄糖具有光学活性，因此与左右圆偏振光分别对应的折射率不同。因此，如果将线偏振光入射到被检体S，则在被检体S内行进的左右圆偏振光的速度产生差异。其结果为，在通过被检体S后的左右圆偏振光中产生了相位差，透过被检体S的透过光相比于入射时的线偏振光，偏振面发生了旋转。
此外，关于葡萄糖，其内部构造为手性，因此在吸收圆偏振光时，对于左右圆偏振光，吸光度产生差异。因此，当线偏振光入射到被检体S时，由于圆偏振光二色性，左右圆偏振光的光振幅（光的大小）发生变化。其结果为，透过被检体S的透过光成为在左右具有不同振幅的光。
由于上述旋光性以及圆偏振光二色性，从被检体S出射的光的相位以及振幅与入射时不同。因此，曾作为线偏振光的入射光因透过被检体S而变化为椭圆偏振光。即，如图2所示，在被检体S的入射时偏角曾经为“α1”的线偏振光因透过被检体S而成为偏角为“φ”的椭圆偏振光。鉴于是椭圆偏振光，以下将偏角“φ”设为椭圆方位角“φ”进行说明。
在本实施方式中，将透过被检体S的透过光视为椭圆偏振光，对椭圆的特征值进行测定，由此测定透过光的偏振状态。具体而言，在使检光部314旋转的同时，取得由受光部320检测的光强度的检测电压（Ex，Ey）的数据。并且，将与椭圆的长轴长度对应的接收光的强度最大的检测电压（Exmax，Eymax）、以及与椭圆的短轴长度对应的接收光的强度最小的检测电压（Exmin，Eymin）作为特征值进行测定。然后，使用这些特征值来计算表示透过光的偏振状态的偏振参数值。
即，在固定了检光部314的状态中，由受光部320检测的光强度成为一组检测电压（Ex，Ey）的数据。一边使检光部314的旋转状态进行各种变化，一边取得对光强度进行检测而得到的检测电压（Ex，Ey）的数据组，观察在Ex‑Ey平面中描绘的接收光的强度轨迹。
此外，在本实施方式中，进行初始校正，使得入射到被检体S的线偏振光的偏角成为“45°”（α1=45°）。具体而言，在未将被检体S配置于光学装置3的状态下，对第1偏振部304进行定位，使得“Ex=Ey”。使线偏振光的偏角成为“45°”的原因如下。
为了准确地测定透过光的偏振状态，需要用受光部320准确地检测由垂直分离部316进行垂直分离后的光（P波以及S波）的强度。但是，由光电二极管等光检测器产生的电压是微小值，是可能埋没在噪声中的电平。因此，即便是微小的光强度的变化，也需要作为较大的电压值的变化进行捕捉。
考虑检测电压“Ex”与“Ey”之比“Y=Ey/Ex”。在设“Ey=1”而考虑“Y=1/Ex”的双曲线的情况下，该双曲线随着“Ex”的值的增加而衰减。在“Ex”的值大的范围内，即便“Ex”的值变化，“Y”的值也基本不变。但是，在“Ex”的值小的范围内，只要“Ex”的值略微变化，“Y”的值就发生较大变化。
因此，通过使“Ey”与“Ex”之比成为“1：1”，能够使“Y=Ey/Ex”相对于“Ex”的微小变化而发生较大变化。即，以使“Ex=Ey”的方式进行初始校正，由此，在配置了被检体S的情况下，“Ey”相对于“Ex”的相对变化（“Ex”相对于“Ey”的相对变化）明确，能够提高偏振状态的测定精度。
图3是偏振参数值的计算方法的说明图。此处，图示了使检光部314在“0°～360°”的角度范围内旋转的情况。在图3中，横轴是检测电压“Ex”，纵轴是检测电压“Ey”。用实线描绘出在使检光部314旋转的同时所采样到的检测电压（Ex，Ey）的轨迹。
旋转的开始位置S以及结束位置G是入射到被检体S的线偏振光的偏角为“45°”的位置。以该开始位置S为基准使检光部314旋转一周。于是，如图3所示，得到例如花生形状（葫芦形状）的轨迹。之所以未图示为完美的椭圆轨迹，是因为在被检体S中包含葡萄糖以外的成分，因此假设受到了这些成分的折射率或透过率的影响。
在检测电压（Ex，Ey）的数据组中，将光强度的绝对值最大的数据和光强度的绝对值最小的数据作为椭圆的特征值进行测定。即，测定“（Ex2+Ey2）1/2”达到最大的检测电压（Exmax，Eymax）和“（Ex2+Ey2）1/2”达到最小的检测电压（Exmin，Eymin），作为特征值。
在图3中，用白圆点A表示相当于（Exmax，Eymax）的坐标上的点，用白圆点B表示相当于（Exmin，Eymin）的坐标上的点。在Ex‑Ey平面中，将原点O作为起点、将点A作为终点的矢量OA是相当于最大光强度的矢量。此外，将原点O作为起点、将点B作为终点的矢量OB是相当于最小光强度矢量。
此时，使用检测电压（Exmax，Eymax）以及（Exmin，Eymin），例如按照下式（1）以及（2），分别计算椭圆率角“θ”以及椭圆方位角“φ”。
【算式1】