偏光を用いて世界初の可視化やモノづくりを推進

偏光とは

　あらゆる方向に振動している太陽や一般照明などの自然光に対し、振動方向が規則的な光のことを偏光と呼びます。たとえば振動が直線的な光を直線偏光、振動が螺旋を描くものを楕円偏光または円偏光と呼びます。
肉眼では見る事ができず、日常生活において意識することが少ないため、偏光を理解することは難しく感じるかもしれません。身近な例としては、魚釣用のサングラスにおいて水面の反射光をカットし、水中の魚を見通す機能として偏光が使われています。
偏光は、振幅（明るさ）、波長（色）とともに光の 3 要素であるにもかかわらず、利用方法に多くの可能性を残した貴重な性質です。特殊光学系、可視化、そして検査・計測に応用することで、新たな現象可視化・解明をもたらす有益なツールとして注目するべき要素なのです。

図1. 円偏光の振動（左）および直線偏光（右）
Z：光の伝搬方向, δ：伝搬方向に直行する面内に2成分分解した光xおよびyの位相差

図2. 右回り円偏光（画像左）、左周り円偏光（画像右）を照明したときのイシガキコガネの見え方

物体内の応力伝播と複屈折

　偏光素子とは偏光を作る、または計測するための素子です。たとえば直線偏光板は入射光から特定の方向に振動する成分だけを透過させるため、任意の振動方向の直線偏光を作ることや、任意の振動方向の偏光強度を計測することが可能です。
もっとも基本的な偏光計測方法は回転検光子と呼ばれ、サンプルを透過した光をクルクルと回転させた直線偏光板を使用し、各回転角度での光強度を計測することで、偏光状態を解析する方法です。
偏光は、サンプルを透過した時、そして反射した時に状態を変えます。したがってサンプルに入出射する偏光状態の違いを測ることで、サンプルの光学的性質や表面構造の可視化、および計測が可能になります。

図3. 透過軸計測実験
2枚の偏光子（大きい四角型、および丸型）を重ね、丸型偏光子の透過軸を回転することで得られた各光強度から四角型の偏光子の透過軸が0度（180度）近傍とわかる。

複屈折と応力分布

　複屈折とは物体内部に2つの主たる屈折率が生じる現象です。この現象は結晶を光が透過した時などに見ることができます。
複屈折の発生要因としては、形態起因、配向起因、そして構造起因がありますが、物体に作用している力が十分に強いときに応力性の複屈折が支配的となり、かつ発生する応力は複屈折に比例します。そのため、偏光を用いて複屈折を計測することで、応力分布の解析を行うことができます。応力分布を検出することは破壊や加工を制御するうえで極めて重要です。
偏光を用いて従来見えなかった動的応力分布を評価することで複雑な破壊に対する理解が高まり、安全性など製品の基本品質改善に繋げることが可能になります。

図4. 光弾性効果（樹脂の内部応力分布）

図5. 方解石（複屈折）

次世代の産学連携を担う企業として

「秒間130万枚の撮影速度性能を備えた2次元複屈折計測システムの開発」

最高で秒間130万枚の2次元複屈折可視化および計測システムを提案するものである。コアデバイスである偏光イメージセンサには、フォトニック結晶を用いたマイクロ偏光素子アレイが画素単位に実装されている。また、高速イメージングに特化された並列読み出し回路設計がなされているため、高速度かつ二次元的に偏光検出が可能となった。偏光光学系と位相シフトアルゴリズムを適用し、高速度複屈折計測装置化を実現した。最後に、測定精度検証を踏まえ、実際の高速度複屈折伝播を実験的に可視化した画像を紹介する。

図6. ハンマーでアクリル棒を叩いた時の内部応力伝播（撮影速度：毎秒130万枚）

• １．エポキシ樹脂に圧力を加えた際のリアルタイム応力イメージング
• ２．アクリル樹脂内部の高速度応力伝播　（撮影速度：秒速3万枚）
• ３．透明ガスの高速度屈折率伝播　（撮影速度：秒間1万枚）