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発明の名称 複屈折層ギャップ厚測定方法及び装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平9−5040
公開日 平成9年(1997)1月10日
出願番号 特願平7−158967
出願日 平成7年(1995)6月26日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】滝本 智之 (外1名)
発明者 伊藤 正弥 / 西井 完治 / 高本 健治 / 福井 厚司
要約 目的
ねじれ角が90゜以外あるいはラビング方向が未知な液晶でも、そのギャップ厚を短時間で正確に測定できるギャップ厚測定方法及び装置を提供する。

構成
平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された2枚の偏光板2、6間に複屈折層を有する被測定対象(液晶3)を設置すると共に、2枚の偏光板2、6間に第1の偏光板の透過方向と光学軸が一致するように設定された位相板4を設置し、位相板4を回転させると2枚目の偏光板2、6を透過する光量が変化するため、透過光量が極値となる位相板4の回転角を測定することにより、この位相板4の回転角から液晶3の複屈折層ギャップ厚を計算により求める。
特許請求の範囲
【請求項1】平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された2枚の偏光板間に複屈折層を有する被測定対象を設置する工程と、2枚の偏光板間に第1の偏光板の透過方向と光学軸が一致するように設定された位相板を設置する工程と、位相板を回転させ2枚目の偏光板を透過する光量が極値となる位相板の回転角を測定する工程と、前記位相板の回転角に基づき複屈折層ギャップ厚を算出する工程を備えていることを特徴とする複屈折層ギャップ厚測定方法。
【請求項2】平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された2枚の偏光板間に被測定対象の液晶を設置する工程と、液晶を回転させ2枚目の偏光板を透過する光量が極値となるよう液晶を設定する工程と、2枚の偏光板間に第1の偏光板の透過方向と光学軸が一致するように設定されたλ/2板を設置する工程と、λ/2板を回転させ2枚目の偏光板を透過する光量が極値となるλ/2板の回転角を測定する工程と、前記λ/2板の回転角に基づき複屈折層ギャップ厚を算出する工程を備えていることを特徴とする複屈折層ギャップ厚測定方法。
【請求項3】位相板をバビネソレイユ補償板としたことを特徴とする請求項1記載の複屈折層ギャップ厚測定方法。
【請求項4】被測定対象を液晶としたことを特徴とする請求項1記載の複屈折層ギャップ厚測定方法。
【請求項5】単一波長を有する光源と、平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された第1の偏光板及び第2の偏光板と、前記偏光板間に設置された複屈折層を有する被測定対象と、前記偏光板間に設置された位相板と、第2の偏光板を透過した光を検出する光検出器を備えていることを特徴とする複屈折層ギャップ厚測定装置。
【請求項6】単一波長を有する光源と、平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された第1の偏光板及び第2の偏光板と、前記偏光板間に設置された液晶と、前記偏光板間に設置されたλ/2板と、第2の偏光板を透過した光を検出する光検出器を備えていることを特徴とする複屈折層ギャップ厚測定装置。
【請求項7】位相板をバビネソレイユ補償板としたことを特徴とする請求項5記載の複屈折層ギャップ厚測定装置。
【請求項8】被測定対象を液晶としたことを特徴とする請求項5記載の複屈折層ギャップ厚測定装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、複屈折層を有する光学材料、例えば液晶等の被測定対象のギャップ厚を測定するための複屈折層ギャップ厚測定方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図14は従来の液晶層ギャップ厚測定装置の模式図であり、図15は偏光板透過軸方向と液晶ラビング方向を示した図である。
【0003】図14において、101は複数の波長を有する光源であり、102は、光源101から放射された複数の波長を含む入射光の中で選択した波長を射出するモノクロメータ、103は偏光板、104は液晶ねじれ角が略90゜の被測定物の液晶であり、偏光板103の透過軸107と液晶104の入射側ラビング方向108は平行である。105は偏光板であり、透過軸110は偏光板103の透過軸107と平行である。106は光検出器である。
【0004】以上のように構成された液晶層ギャップ厚測定方法及び装置について、以下その動作について説明する。
【0005】モノクロメータ2の射出光の波長をλとすると、偏光板3、液晶4、偏光板5を透過する光の透過率Tは(数1)となる。
【0006】
【数1】

【0007】透過率Tを0とする波長をλsとすると、(数1)より(数2)が得られる。
【0008】
【数2】

【0009】従って、モノクロメータ2の波長を変化させ、光検出器6での検出される光量が0、つまり、(数1)の透過率Tが0となる波長λsを求め、(数2)に代入することにより液晶層ギャップ厚dを求めることができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のような構成では、ギャップ厚が測定できる液晶は、そのねじれ角が90゜の場合に限定される。
【0011】また、液晶ラビング方向を偏光板103、105の透過方向と一致させる必要があるため、液晶ラビング方向が既知でなければならない。しかし、通常、液晶ラビング方向を測定することは困難であり、偏光板の透過軸と液晶ラビング方向を正確に一致させることができない。
【0012】また、モノクロメータ2あるいは分光光度計を用いる必要があるため、測定時間が1分程度必要となり、インライン検査等の高速性が要求される用途には使用することができない。
【0013】また、モノクロメータあるいは分光光度計を用いているため、装置構成が複雑になり、装置価格が高くなる。
【0014】本発明は上記問題点に鑑み、液晶のねじれ角が90゜以外の液晶に関しても、あるいはラビング方向が未知な液晶に関しても、そのギャップ厚が正確に測定でき、またインライン検査可能な高速性を有し、低価格化が可能な複屈折層ギャップ厚測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するために本発明の複屈折層ギャップ厚測定方法及び装置は、平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された2枚の偏光板間に被測定対象の液晶を設置する工程と、2枚の偏光板間に第1の偏光板の透過方向と光学軸が一致するように設定された位相板を設置する工程と、位相板を回転させ2枚目の偏光板を透過する光量が極値となる位相板の回転角を測定する工程と、前記位相板の回転角から複屈折層ギャップ厚を計算する工程を備えていることを特徴とするものである。
【0016】また、平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された2枚の偏光板間に被測定対象の液晶を設置する工程と、液晶を回転させ2枚目の偏光板を透過する光量が極値となるよう液晶を設定する工程と、2枚の偏光板間に第1の偏光板の透過方向と光学軸が一致するように設定されたλ/2板を設置する工程と、λ/2板を回転させ2枚目の偏光板を透過する光量が極値となるλ/2板の回転角を測定する工程と、前記λ/2板の回転角から複屈折層ギャップ厚を計算する工程を備えていることを特徴とするものである。
【0017】また、単一波長を有する光源と、平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された第1の偏光板及び第2の偏光板と、前記偏光板間に設置された液晶と、前記偏光板間に設置された位相板と、第2の偏光板を透過した光を検出する光検出器を備えていることを特徴とするものである。
【0018】また、単一波長を有する光源と、平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された第1の偏光板及び第2の偏光板と、前記偏光板間に設置された液晶と、前記偏光板間に設置されたλ/2板と、第2の偏光板を透過した光を検出する光検出器を備えていることを特徴とするものである。
【0019】
【作用】本発明は上記した構成によって、平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された2枚の偏光板間に複屈折層を有する被測定対象を設置すると共に、2枚の偏光板間に第1の偏光板の透過方向と光学軸が一致するように設定された位相板を設置し、位相板を回転させると2枚目の偏光板を透過する光量が変化するため、透過光量が極値となる位相板の回転角を測定することにより、この位相板の回転角から複屈折層ギャップ厚を計算することができる。
【0020】
【実施例】図1は本発明の第1の実施例における複屈折層ギャップ厚測定方法を実現する基本光学構成を示すものである。図1において、1は波長λの単波長光源、2は偏光板、3は被測定物の液晶であり、液晶3の常光屈折率をno、異常光屈折率をneとする。4は位相差δを有する位相板、6は偏光板、7は光検出器を示している。
【0021】以上のように構成された光学系において複屈折層ギャップ厚測定方法を図2のフローチャートを用いて説明する。
【0022】まず、偏光板2と偏光板6を平行ニコルあるいは直交ニコル状態とする。次に、位相板4の光学軸を偏光板2の透過軸と一致させる。そして、位相板4を回転させ、光検出器7の検出強度が極値を取る回転角αを測定する。
【0023】そして、この回転角αを後述する(数11)に代入し、複屈折層(液晶層)ギャップ厚を計算により求めるものである。
【0024】さて、この方法により複屈折層(液晶層)ギャップ厚を測定できることを数式を用いて説明する。
【0025】図3は、図1の光学系の座標を示している。図3において、10は偏光板2の透過軸を示し、x軸とのなす角をetとする。11は液晶3の入射側ラビング方向を示し、x軸とのなす角をφとする。12は液晶3の出射側ラビング方向を示し、液晶3のねじれ角をθとする。13は位相板5の光学軸を示し、x軸とのなす角をαとする。14は偏光板6の透過軸を示し、x軸とのなす角をexとする。
【0026】このような座標系を考えると、偏光板2を透過する光はジョーンズベクトルAで表すと(数3)のように書ける。
【0027】
【数3】

【0028】また、液晶3のジョーンズマトリクスBは(数4)のように、位相板4のジョーンズマトリクスCは(数5)のように、偏光板6のジョーンズマトリクスDは(数6)のように書ける。
【0029】
【数4】

【0030】
【数5】

【0031】
【数6】

【0032】従って、偏光板6を透過する光のジョーンズベクトルE(Ex、Ey)は(数7)のように書け、光検出器7で検出される強度Fは(数8)のように書ける。
【0033】
【数7】

【0034】
【数8】

【0035】ここで、偏光板2の透過軸方位et=0としても一般性は保たれるので、et=0とする。そうすると、偏光板6の透過軸方位exは平行ニコルの場合はex=0、直交ニコルの場合はex=90゜となる。
【0036】平行ニコルの場合、光検出器7で検出される強度F1は(数9)、直交ニコルの場合、光検出器7で検出される強度F2は(数10)のように書ける。
【0037】
【数9】

【0038】
【数10】

【0039】次に、この検出強度F1、F2のシミュレーションを行う。シミュレーション条件として(表1)の値を用いた。
【0040】
【表1】

【0041】位相板4の位相差δをλ/8、λ/4、あるいはλ/2とし、偏光板2及び偏光板6を平行ニコルあるいは直交ニコルとした場合に、位相板4の回転角αと光検出器7で検出される強度との関係を図4〜9に示す。図番と、偏光板2と偏光板6との偏光状態、位相板4の位相差との関係を(表2)に示す。
【0042】
【表2】

【0043】図4〜9から分かるように、検出器7で検出される光の強度は、位相板4の位相差、偏光状態に関係無く、極値を持つことが分かる。この極値を取る位相板4の回転角αは、(数9)、(数10)をαで偏微分することにより求まり、(数11)、(数12)のように書ける。
【0044】
【数11】

【0045】
【数12】

【0046】これら両式から、(数11)、(数12)は同一の式であることがわかる。この(数11)において、液晶の複屈折度(ne−no)、液晶のねじれ角(θ)、液晶のラビング方向(φ)、測定波長(λ)、位相板の位相差(δ)、極値をとる位相板回転角(α)が既知であると、液晶のギャップ厚(d)だけが未知な方程式となり、(数11)を解くことにより液晶層ギャップ厚(d)を求めることができる。
【0047】この方法による、液晶層ギャップ厚の測定精度は位相板3の回転角測定精度により決まり、0.05゜の回転角測定精度で、10nmのギャップ厚精度を得ることができる。また、測定時間は、位相板4を数度回転させる時間(1秒程度)ですむため、高速な測定が可能となる。
【0048】以上のように本実施例によれば、位相板3を設け、位相板4を回転させることにより、光検出器7で検出される強度が変化するため、この強度変化の極値をとる回転角αを測定し、(数11)を用いて、液晶層ギャップ厚dを計算により高精度に求めることができる。
【0049】このように、非常に簡単な光学系によりギャップ厚を測定することができるため、安価な測定装置を実現できる。また、高速に測定が可能なため、従来の抜き取り検査から、全数検査にすることができるため製造工程の歩留まり向上にも寄与できる。
【0050】また、本実施例では、従来例と異なり、液晶のねじれ角が90゜以外の場合にも対応可能なため、種々の液晶を測定できる。
【0051】なお、この実施例では、単純な位相板をを用いたが、位相板を組み合わせたバビネソレイユ補償板を用いても良いことは言うまでもない。
【0052】また、本実施例では、被測定対象として、液晶を用いたが、これに限定されることはなく、複屈折を有するものであれば、ギャップ厚を測定できることは言うまでもない。
【0053】図10は本発明の第2の実施例における複屈折層ギャップ厚測定方法を実現する基本光学構成を示すものである。図10において、図1と同一図番のものは実質的に同一機能のものを示す。16は位相差λ/2を有するλ/2板を示している。
【0054】以上のように構成された光学系において、複屈折層ギャップ厚測定方法を図11のフローチャートを用いて説明する。
【0055】まず、偏光板2と偏光板6を平行ニコルあるいは直交ニコル状態とする。次に、液晶3を回転させ、光検出器7の検出強度が極値を取る位置に設定する。
【0056】次に、λ/2板16の光学軸を偏光板2の透過軸と一致させる。そして、λ/2板16を回転させ、光検出器7の検出強度が極値を取る回転角αを測定する。
【0057】そして、この回転角αを後述する(数18)に代入し、複屈折層(液晶層)ギャップ厚を計算により求めるものである。
【0058】さて、この方法により、液晶のラビング方向φが未知であっても、液晶層ギャップ厚を測定できることを数式を用いて説明する。
【0059】λ/2板16が無い状態で、偏光板6を透過する光のジョーンズベクトルG(Gx、Gy)は(数13)のように書け、光検出器7で検出される強度Hは(数14)の様に書ける。
【0060】
【数13】

【0061】
【数14】

【0062】ここで、第1の実施例と同様に、偏光板2の透過軸方位et=0としても一般性は保たれるので、et=0とする。そうすると、偏光板6の透過軸方位exは平行ニコルの場合はex=0、直交ニコルの場合はex=90゜となる。
【0063】平行ニコルの場合、光検出器7で検出される強度H1は(数15)、直交ニコルの場合、光検出器7で検出される強度H2は(数16)のように書ける。
【0064】
【数15】

【0065】
【数16】

【0066】(数15)、(数16)よりわかるように、液晶3を回転させると、(数15)、(数16)の第4項目が変化し、検出強度が変化する。
【0067】この検出強度の極値を取るφの値は、(数15)、(数16)をφで偏微分し0となるφを求めることにより求まり、(数17)のようになる。
【0068】
【数17】

【0069】この(数17)を用いると、液晶のラビング方向φに関係する、液晶のジョーンズマトリクスの要素q、sは(表3)のようになり、液晶のラビング方向φと無関係となる。
【0070】
【表3】

【0071】この値を(数11)に代入すると、左辺の第1、第2項目は、q、sの2乗、あるいは、q×sの項となるため、±の符号が除去される。しかし、第3項目のps+qrの値に±の符号が残るため、液晶のギャップ厚を一意に求めることができない。
【0072】しかし、本実施例では、λ/2板16を用いているため、(数11)の第3項目のsin(δ)=sin(π)=0となるため、±の符号に依存する項が無くなるため、一意に液晶のギャップ厚を求めることができる。
【0073】(数11)の位相差δにπを代入し、(表3)の関係を用いると、(数18)となる。
【0074】
【数18】

【0075】この(数18)において、液晶の複屈折度(ne−no)、液晶のねじれ角(θ)、測定波長(λ)、極値をとる位相板回転角(α)が既知であると、液晶のギャップ厚(d)だけが未知な方程式となり、(数18)を解くことにより液晶層ギャップ厚(d)を求めることができる。
【0076】以上のように本実施例によれば、第1の実施例同様の効果が得られるのみならず、液晶3を回転させ、極値をとるように設定することにより、液晶のラビング方向が未知の場合にも、液晶3のギャップ厚を正確に測定できる。
【0077】図12は本発明の第3の実施例における複屈折層ギャップ厚測定装置の基本構成図を示すものである。図12において、1は波長λの単波長光源、2は偏光板、3は被測定物の液晶であり、液晶3の常光屈折率をno、異常光屈折率をneとする。4は位相差δを有する位相板、5は位相板4を回転させる位相板回転手段、6は偏光板、7は光検出器、8は光検出器の信号を基に位相板回転手段5を制御する制御手段、9は制御手段8により位相板4の回転角より被測定物体の液晶3のギャップ厚dを計算し求める演算手段を示している。
【0078】以上のように構成された光学系において複屈折層ギャップ厚測定方法を図2のフローチャートを用いて説明する。
【0079】まず、偏光板2及び偏光板6を平行ニコルあるいは直交ニコル状態とする。次に、位相板4の光学軸を偏光板2の透過軸と一致させる。そして、制御手段8と位相板回転手段5により位相板4を回転させ、光検出器7の検出強度が極値を取る回転角αを測定する。この回転角αを前述した(数11)を用いて、演算手段9により解くことにより、第1の実施例で述べたように複屈折層(液晶層)ギャップ厚を計算により求めることができる。
【0080】以上のように本実施例によれば、第1の実施例と同様の効果が得られる。図13は本発明の第4の実施例における複屈折層ギャップ厚測定装置の基本構成図を示すものである。
【0081】図13において、図12と同一図番のものは実質的に同一機能のものを示す。15は液晶3を回転させる液晶回転手段、16は位相差λ/2を有するλ/2板、17は光検出器7の信号を基に、液晶回転手段15及び位相板回転手段5を回転制御する制御手段、18は制御手段17によりλ/2板16の回転角より被測定物体の液晶3のギャップ厚dを計算し求める演算手段を示している。
【0082】以上のように構成された光学系において複屈折層ギャップ厚測定方法を図11のフローチャートを用いて説明する。
【0083】まず、偏光板2及び偏光板6を平行ニコルあるいは直交ニコル状態とする。次に、液晶3を液晶回転手段15に設置し、液晶3を制御手段17と液晶回転手段15により回転させ、光検出器7の検出強度が極値を取る位置に制御手段17を用いて設定する。
【0084】次に、λ/2板16の光学軸を偏光板2の透過軸と一致させる。そして、λ/2板16を制御手段17と位相板回転手段5により回転させ、光検出器7の検出強度が極値を取る回転角αを測定する。
【0085】この回転角αを前述した(数18)を用いて、演算手段18により解くことにより、第2の実施例で述べたように複屈折層(液晶層)ギャップ厚を計算により求めることができる。
【0086】以上のように本実施例によれば、第2の実施例と同様の効果が得られる。
【0087】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された2枚の偏光板間に複屈折層を有する被測定対象を設置すると共に、2枚の偏光板間に第1の偏光板の透過方向と光学軸が一致するように設定された位相板を設置し、位相板を回転させると2枚目の偏光板を透過する光量が変化するため、透過光量が極値となる位相板の回転角を測定することにより、この位相板の回転角から複屈折層ギャップ厚を計算することができる。
【0088】このように、非常に簡単な光学系によりギャップ厚を測定することができるため、安価な測定装置を実現できる。また、高速に測定が可能なため、従来の抜き取り検査から、全数検査にすることができるため製造工程の歩留まり向上にも寄与できる。
【0089】また、従来の手法では、液晶のねじれ角が約90゜でなければ測定不可能であったが、本発明を用いることによりどのようなねじれ角であっても測定が可能となる。
【0090】また、本発明によれば、平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された2枚の偏光板間に被測定対象の液晶を設置し、液晶を回転させ2枚目の偏光板を透過する光量が極値となるよう液晶を設定し、2枚の偏光板間に第1の偏光板の透過方向と光学軸が一致するように設定されたλ/2板を設置し、λ/2板を回転させると2枚目の偏光板を透過する光量が変化するため、透過光量が極値となるλ/2板の回転角を測定することにより、液晶のラビング方向が未知の場合にもλ/2板の回転角から複屈折層(液晶層)ギャップ厚を計算することができる。




 

 


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