CN101281092A - 相位差测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够准确地确定存在散射、吸收或消除偏振光的试样的相位差的方法。该方法为根据依次配置有光源、偏振器、试样、检偏器和分光器的光学系中测量到的分光光谱确定该试样的相位差的方法，包括以下过程：准备没受该试样的相位差影响的该试样的分光光谱数据；对使该偏振器的透射轴、该试样的光学轴和该检偏器的透射轴的配置为检测该试样的相位差的配置而测量的至少一个分光光谱进行测量；用上述分光光谱数据修正上述分光光谱。

Description

相位差测量方法及装置

技术领域

本发明涉及相位差的确定方法，尤其涉及能够使用分光器准确地确定因散射、吸收或消除偏振光而透射率降低的试样的相位差的相位差确定方法以及使用了该方法的相位差测量装置。

背景技术

在评价液晶显示器(LCD)用的相位差薄膜或光盘、塑料等光学元件的品质管理等中，测量相位差的必要性不断增强，不仅要求精度，还要求简便性等。

作为相位差测量方法，我们已经知道使用偏振光分析测量法的偏振光分析的方法。偏振光分析测量法，由使偏振器或补偿器高速旋转的机构或光弹调制器(PEM)、或者左右圆偏振光外差干涉法等调制偏振光或相位的方法，以及高速运算处理获得的数据的装置等构成，能够进行高精度的相位差测量。但是，这种方法为原理复杂、价格高的方法。并且由于是以单一波长的测量数据为基础的方法，因此在尤其是像进行液晶显示器(LCD)用相位差薄膜的评价时这种需要进行整个可见光区域内的相位差测量时，需要用单色器等扫描波长获取数据，存在不能高速地测量相位差的波长色散的问题。

作为其他相位差测量方法，有例如专利文献1中记载的方法。该方法为根据配置在平行偏光的偏振器/检偏器之间的试样旋转一周时单色光的透射光强度的角度的存关系求出相位差的方法，不需要进行偏振光或相位调制，需要的数据量也少。因此，使用了这种方法的测量装置可以是价格便宜的装置，目前市场上有售。但是，这种方法由于是以透射光强度为基础求出相位差的方法，因此在确定存在吸收、散射或消除偏振光等试样的相位差时容易产生大的误差。

而且，还知道像非专利文献1或专利文献2和3所公开的那样使用分光光度计等获得的透射光谱测量相位差的方法。该方法能够在必要的波长范围内简单地测量相位差的波长色散。

[专利文献1]日本特许第2791479号

[非专利文献1]West等著Journal of Optical Society of America，vol.39，p.791-794(1949)

[专利文献2]日本特许第3777659号

[专利文献3]日本特公平5-18370号公报

由于相位差薄膜等测量对象多数情况下是无色透明的，因此现有的相位差测量方法都没有考虑测量到的透射光强度受试样自身的光吸收、散射或消除偏振光的影响。但是，在试样为有色、具有层叠结构的膜的情况下或者试样存在某种缺陷的情况下，由于试样有可能产生吸收等，因此利用透射光强度的现有相位差测量方法不可能获得准确的测量结果。

发明内容

因此，本发明的目的就是要提供一种能够准确地确定存在散射、吸收或消除偏振光的试样的相位差的方法。

为了解决上述问题，本发明者们进行了深刻的研究，结果，作为使用分光光度计等获得的分光光谱测量相位差的方法，发现了考虑了试样自身的光吸收、散射或消除偏振光的影响准确地测量相位差的方法，并以该发现为基准完成本发明。即，本发明提供以下(1)～(9)所述的方法或装置。

[1]一种根据依次配置有光源、偏振器、试样、检偏器和分光器的光学系中测量到的分光光谱确定该试样的相位差的方法，包括以下过程：准备未受该试样的相位差影响的该试样的分光光谱数据；对使该偏振器的透射轴、该试样的光学轴和该检偏器的透射轴的配置为检测该试样的相位差的配置而测量的至少一个分光光谱进行测量；用上述分光光谱数据修正上述分光光谱。

[2]一种根据依次配置有光源、偏振器、试样、检偏器和分光器的光学系中测量到的分光光谱确定该试样的相位差的方法，包括以下过程：(1)使偏振器与检偏器为平行偏光配置，并且使偏振器的透射轴与试样的光学轴的夹角为0°或90°，测量分光光谱；(2)使偏振器与检偏器为平行偏光配置或正交偏光配置，并且使试样的光学轴与偏振器的透射轴的夹角为45°，测量分光光谱；(3)用(2)中获得的光谱修正(1)中获得的光谱。

[3]在[2]所述的方法中，通过用(2)中获得的光谱在波长λ的透射率去除(1)中获得的光谱在该波长λ的透射率来进行修正。

[4]一种相位差测量装置，其包括依次配置有光源、偏振器、试样台、检偏器和分光器的光学系以及用下述(11)修正(12)的单元：(11)配置在试样台上的未受试样的相位差影响的该试样的分光光谱数据；(12)使偏振器与检偏器为平行偏光配置或正交偏光配置，并且使配置在试样台上的试样的光学轴与偏振器的透射轴的夹角为45°而测量的分光光谱。

[5]一种相位差测量装置，其包括依次配置有光源、偏振器、试样台、检偏器和分光器的光学系以及用下述(21)修正(12)的单元：(21)使偏振器的透射轴、配置在试样台上的试样的光学轴和该检偏器的透射轴的配置为不检测该试样的相位差的配置而测量到的分光光谱；(12)使偏振器与检偏器为平行偏光配置或正交偏光配置，并且使配置在试样台上的试样的光学轴与偏振器的透射轴的夹角为45°而测量的分光光谱。

[6]一种相位差测量装置，其包括依次配置有光源、偏振器、试样台、检偏器和分光器的光学系以及用下述(31)修正(12)的单元：(31)使偏振器与检偏器为平行偏光配置，并且使偏振器的透射轴与配置在试样台上的试样的光学轴的夹角为0°或90°而测量的分光光谱；(12)使偏振器与检偏器为平行偏光配置或正交偏光配置，并且使配置在试样台上的试样的光学轴与偏振器的透射轴的夹角为45°而测量的分光光谱。

[7]在[4]～[6]中的任一项所述的相位差测量装置中，还包括用柯西色散公式拟合上述(12)的单元。

[8]在[4]～[7]中的任一项所述的相位差测量装置中，在上述光学系的偏振器与检偏器之间配置有波长板。

[9]在[8]所述的相位差测量装置中，在测量波长区域内的2个以上的波长的每一个中，用0.5以上的整数或半整数去除上述波长板的延迟值的值与该波长一致。

发明的效果：

采用本发明能提供能够准确地确定存在散射、吸收或消除偏振光的试样的相位差的相位差测量方法和装置。

附图说明

图1是本发明的相位差测量中分光光谱的原理图。

图2是本发明的相位差测量中对小相位差试样的分光光谱的原理图。

图3是本发明的相位差测量装置的一例的概略图。

图4是本发明的相位差测量装置的一例的概略图。

图5是本发明的实施例使用的波长板的相位差的波长色散。

图6是本发明的实施例1和比较例1中获得的分光光谱。

图7是本发明的实施例1、比较例1和参照例1获得的相位差的波长色散。

具体实施方式

下面详细说明本发明。

另外，本说明书中“～”的意思是其前后记载的数值作为下限值和上限值而使用。

本说明书中，存在对角度的记载时，与精确的角度之间的误差在±1°的范围之内即可，更优选为在±1°的范围之内。

0°表示实际上两轴的夹角为平行的状态，90°表示实际上两轴的夹角为正交的状态。

平行偏光表示偏振器与检偏器的透射轴的夹角为0°，正交偏光表示偏振器与检偏器的透射轴的夹角为90°，但实际上如后述的测量方法所描述的那样，在本发明的测量方法使用的光学系统中，对于没有试样的状态下的偏振器和检偏器的配置，也有分别将入射光透射率最小的位置和入射光透射率最大的位置作为正交偏光位置和平行偏光位置的情况。

本说明书中，所谓“分光光谱”是包括“吸收光谱”、“散射光谱”和“透射光谱”等的意思，优选为透射光谱。

[相位差测量原理]

下面说明根据分光光谱确定试样的相位差的原理。

偏振状态和基于偏振状态的透射率等光学特性可以用琼斯矩阵或穆勒矩阵来描述，但以下用能够考虑偏振光消除程度的穆勒矩阵来说明。如果采用穆勒矩阵，偏振状态用斯托克斯参数描述，通过相位差薄膜或偏振器、检偏器等时各元件的偏振状态的变化用4×4穆勒矩阵描述。

首先说明偏振器和检偏器为正交偏光、光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的相位差薄膜的光的透射率。

如果以偏振器的透射轴为基准方向(0°)，则偏振器的穆勒矩阵Mp用公式(1)描述。

$M_p=\left(\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)---\left(1\right)$

检偏器的穆勒矩阵Ma用公式(2)描述。

$M_a=\left(\begin{array}{cccc}\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}& 0& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{1}{2}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)---\left(2\right)$

光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的相位差薄膜的穆勒矩阵Mr用公式(3)描述。

$M_r=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left(\mathrm{\Γ}\right)& 0& -\sin \left(\mathrm{\Γ}\right)\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& \sin \left(\mathrm{\Γ}\right)& 0& \cos \left(\mathrm{\Γ}\right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，Γ为用公式(4)表示的值。

$\mathrm{\Γ}=\frac{2\mathrm{\πRe}}{\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

式中Re为上述相位差薄膜的相位差，λ为测量波长。测量分光光谱时λ为变量。

当入射光为100％通过偏振器的偏振光时，换言之，使通过偏振器的光为100％时，通过该偏振器→相位差薄膜→检偏器的斯托克斯参数为公式(5)：

$S_{\mathrm{out}}=M_a{M}_r{M}_p\left(\begin{array}{c}1\\ 1\\ 0\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\cos \left(\mathrm{\Γ}\right)\\ -\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\sin \left(\mathrm{\Γ}\right)\\ 0\\ 0\end{array}\right)---\left(5\right)$

上式中Sout的第一元素为光的透射率。即，光的透射率T(λ)用下述公式(6)表示：

$T\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πRe}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(6\right)$

从公式(6)可知，偏振器与检偏器为正交偏光、光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的相位差Re的薄膜的光的透射率T(λ)，理论上当Re/λ为整数时为0(透射率为0％)，当Re/λ为半整数时T(λ)为1(透射率为100％)。图1表示Re＝2000nm的试样(薄膜)的分光光谱的例子。

同样，偏振器与检偏器为平行偏光、光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的相位差薄膜的光的透射率用下式(7)表示：

$T\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πRe}}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(7\right)$

从公式(7)可知，理论上当Re/λ为整数时，T(λ)为0(透射率为0％)，当Re/λ为半整数时T(λ)为1(透射率为100％)。

因此，无论偏振器、试样和检偏器是上述哪种配置，都能够通过读取分光光谱中波谷位置(透射率为0％)的波长和波峰位置(透射率为100％)的波长求出相位差Re的值。

[吸收、散射的影响]

本发明的方法通过用未受试样的相位差影响的该试样的分光光谱数据修正使偏振器的透射轴、该试样的光学轴和该检偏器的透射轴的配置为检测该试样的相位差的配置测量到的分光光谱，能够更准确地确定该试样的相位差。

如果用t(λ)作为波长函数表示从上述分光光谱数据获得的试样的光透射率的话，由于当吸收性或散射性薄膜的穆勒矩阵Mt为等方向性时为纯量，因此上述偏振器与检偏器为正交偏光、光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的相位差薄膜的光的透射率T(λ)用下式(8)表示：

$T\left(\mathrm{\λ}\right)=t\left(\mathrm{\λ}\right)(\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πRe}}{\mathrm{\λ}}\right))---\left(8\right)$

如从公式(8)能够明白的那样，通过从未受相位差影响的试样的分光光谱数据中求出t(λ)，能够将吸收/散射项与相位差项分离。

虽然可以用试样的已知数据作为未受相位差影响的试样的分光光谱数据，但优选使用使测量相位差的光学系中的偏振器的透射轴、该试样的光学轴和该检偏器的透射轴的配置为不检测该试样的相位差的配置时测量到的分光光谱数据。

作为不检测试样的相位差的配置，可以列举偏振器与检偏器为平行偏光的配置，并且可以列举偏振器的透射轴与试样的光学轴的夹角为0°或90°的配置。下面说明例如透射轴与试样的光学轴的夹角为0°时(偏振器的透射轴与光学轴一致时)的情况。

偏振器的透射轴与光学轴一致的相位差薄膜的穆勒矩阵Mr2用下式(9)表示：

$M_{r2}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left(\mathrm{\Γ}\right)& \sin \left(\mathrm{\Γ}\right)\\ 0& 0& -\sin \left(\mathrm{\Γ}\right)& \cos \left(\mathrm{\Γ}\right)\end{array}\right)---\left(9\right)$

由此，偏振器与检偏器为平行偏光时的考虑了吸收或散射的透射光的斯托克斯参数Sout为下式(10)。

$S_{\mathrm{out}}=t\left(\mathrm{\λ}\right)M_p{M}_{r2}{M}_p\left(\begin{array}{c}1\\ 1\\ 0\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}t\left(\mathrm{\λ}\right)\\ t\left(\mathrm{\λ}\right)\\ 0\\ 0\end{array}\right)---\left(10\right)$

从公式(10)可知，该光学系的透射率用t(λ)表示。

通过使用未受相位差影响的试样的分光光谱数据中的透射率t(λ)去除以例如上式(8)的透射率T(λ)的公式进行修正，能够修正到未受吸收或散射的影响的光谱，结果提高了获得的相位差的精度。

[相位差的波长色散]

当试样的相位差存在波长色散时，位于分光光谱的波峰和波谷的峰值上的波长与上述理论上说明过的波长存在偏差。例如，如果图1的例中500nm上的相位差为2000nm的话，则如图1所示透射率为0％，但假如400nm上的相位差因波长色散为2200nm的话，则由于是半整数倍，因此透射率为100％，与图1不同。虽然该2200nm是400nm的5.5倍，但由于2000nm的5.5分之一为约363nm，因此具有该波长色散的试样在400nm上看到的波峰的峰值与应该存在于图1的曲线之外的363nm上的波峰的峰值存在大的相位差，因此向波长一侧移动。由于相位差的波长色散能够用柯西色散公式描述，因此通过拟合(fitting)而从透光光谱中求出相位差优选使用柯西色散公式。

柯西色散公式一般用于表达折射率的波长依存性(波长色散)，像下式(11)那样描述：

$n\left(\mathrm{\λ}\right)=A+\frac{B}{{\mathrm{\λ}}^2}+\frac{C}{{\mathrm{\λ}}^4}---\left(11\right)$

由于延迟(retardation)是复折射即2个不同的折射率之差乘以试样厚度d，因此与折射率一样可以使用式(12)的柯西色散公式。

$\mathrm{Re}\left(\mathrm{\λ}\right)=(n_1\left(\mathrm{\λ}\right)-n_2\left(\mathrm{\λ}\right))d$

$=[(A_1+\frac{B_1}{{\mathrm{\λ}}^2}+\frac{C_1}{{\mathrm{\λ}}^4})-(A_2+\frac{B_2}{{\mathrm{\λ}}^2}+\frac{C_2}{{\mathrm{\λ}}^4})]d---\left(12\right)$

$=\left[(A_1-A_2)d\right]+\frac{\left[(B_1-B_2)d\right]}{{\mathrm{\λ}}^2}+\frac{\left[(C_1-C_2)d\right]}{{\mathrm{\λ}}^4}=A+\frac{B}{{\mathrm{\λ}}^2}+\frac{C}{{\mathrm{\λ}}^4}$

柯西色散公式使用到波长的4次方的情况很多，但为了更简单迅速地拟合，也可以使用到2次方，在精度上需要的情况下，也可以使用到6次以上的偶数次。从精度与速度的平衡性考虑，优选使用到4次方。并且，除了柯西色散公式以外，也可以使用Handbook of optics(2nd ed.)，vol.1(McGraw-Hill)中p.33.61-33.84中记载的任意的公式或任意2个以上之和作为相位差的波长色散。

[波长板的使用]

图2表示Re＝100nm的试样(薄膜)的分光光谱的例子。由于试样的相位差这样变小时在测量波长范围内既看不到半整数倍也看不到整数倍，因此光谱中看不到峰值。虽然理论上用观测不到峰值的光谱也能够求出相位差，但实际上由于测量系统的干扰和试样的吸收、散射、偏振光消除等的影响使光谱的绝对值产生变化，因此计算出的相位差的精度受到影响。

为了使测量波长范围内的光谱处于能够观测到峰值的状态，在测量相位差小的试样时使用波长板，能够提高获得的值的精度。例如，可以考虑插入光学轴与试样的光学轴一致的相位差Rewp的波长板。光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的波长板的穆勒矩阵Mwp如下式(13)。

$M_{\mathrm{wp}}=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{wp}}\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{wp}}\right)\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& \sin \left({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{wp}}\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{wp}}\right)\end{array}\right)---\left(13\right)$

偏振器与检偏器为正交偏光、具有光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的试样和光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的波长板的光学系的斯托克斯参数为下式(14)。

$S_{\mathrm{out}}=M_a{M}_{\mathrm{wp}}{M}_r{M}_p\left(\begin{array}{c}1\\ 1\\ 0\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\cos (\mathrm{\Γ}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{wp}})\\ -\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\sin (\mathrm{\Γ}+{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{wp}})\\ 0\\ 0\end{array}\right)---\left(14\right)$

其中， ${\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{wp}}=\frac{2\mathrm{\πR}{e}_{\mathrm{wp}}}{\mathrm{\λ}},$ Rewp表示波长板的相位差。

即，光的透射率T(λ)用下式(15)表示。

$T\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}\left((\mathrm{Re}+{\mathrm{Re}}_{\mathrm{wp}})\right)}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(15\right)$

由该式可知，通过用波长板提高相位差，能够在测量波长的范围内检测到光谱的峰值。在根据该峰值确定了所测量的相位差后，减去波长板的相位差就可以计算出试样的相位差。

[相位差测量装置]

以上说明过的本发明的方法能够用以下说明的相位差测量装置实施。

相位差测量装置包括光源、偏振器、试样台、检偏器和分光器，优选按图3所示的顺序配置。相位差测量装置还包括进行上述修正、拟合等计算的作为计算单元的光信号分析装置等。

[光源]

光源优选使用白色光源。作为白色光源，只要不是像激光或LED那样波长范围窄，在测量波长范围内具有输出的就可以，没有特别的限制，测量波长范围只要是可见光的一部分就可以，不一定要看起来像白色光。作为这种光源的例子，可以列举卤素灯或氙灯。并且，也可以使多个颜色的光源混色来使用。由于光源的输出随输入的电源或环境温度变化，因此希望电源亮灯后放置20分钟～1小时左右后亮度变化在5％/小时以下，为此优选使用电源稳定的装置。

[偏振器、检偏器]

虽然偏振器不特别需要旋转机构，但如果具有光轴中心的旋转机构的话，由于能够进行全方位角测量，因此比较理想。由于检偏器需要使其透射轴与偏振器的透射轴平行偏光或正交偏光等，因此优选具有光轴中心的旋转机构。

由于使用分光器，因此作为偏振器和检偏器希望在较宽的波长区域内具有高的偏振度。由于本发明的方法与现有的方法相比不容易影响透射率的绝对值，因此偏振度在95％以上就可以。具有该偏振度的波长区域尤其优选在390～800nm的范围内。只要具有该偏振度，偏振器既可以是吸收型偏振器也可以是反射型偏振器，但作为检偏器最好是吸收型偏振器。具体可以列举在较宽的波长区域具有比较高的偏振度的碘系偏振器、使用了双色性色素的双色性色素系偏振器、作为棱镜型偏振器的格兰-汤姆逊(Glan Thompson)型偏振器、格兰-泰勒型(Glan-Taylor)偏振器，以及其他的作为偏振器的线状格栅型偏振器、电介质偏振器等，优选波长区域比较宽的碘系偏振器和棱镜型偏振器，尤其优选波长区域更宽并且具有必要的偏振度的碘元素系偏振器。

[试样台]

偏振器与检偏器之间配置有试样台，试样台优选具有光轴中心的旋转机构，而且，为了测量倾斜入射时的相位差，优选具有使整个试样台旋转的机构。

[分光器]

作为分光器，只要具有能够在必要的波长范围内分光、具有足够的光强度的分辨率就可以，没有特别的限制。既可以是用单色器扫描的分光器也可以是用一维光电探测器阵列测量被衍射光栅分光的光的多通道型分光器，但优选测量时间短的多通道型。作为分光器强度的分辨率，如果用数字表示优选在8比特以上，尤其优选12比特以上。并且，由于波长分辨率F与相位差的测量精度相对应，因此在FWHM时优选在10nm以下，尤其优选在5nm以下。而且，当波长板的相位差相对于测量对象波长λ为nλ时，F×n优选在200nm以下，更优选在100nm以下，最优选在50nm以下。

[波长板]

作为相位差测量装置优选像图4那样将波长板插入偏振器与检偏器之间。波长板既可以配置在试样台的靠偏振器一侧也可以配置在靠检偏器一侧。波长板优选具有以光轴为中心的旋转机构和使波长板从光轴上避开的单轴工作台。利用波长板能够测量上述那种相位差小的试样。

而且，由于与光源或分光器稍微有点偏振依存性，因此有可能影响光谱的测量，因此可以在光源与偏振器之间以及检偏器与分光器之间插入尽可能对测量波长区域内的波长没有吸收性的偏振消除器。

作为波长板，只要在测量波长范围内能够看到峰值就没有特别的限制，但优选在测量波长区域内具有2个以上的与0.5以上的整数或半整数之积为上述波长板的延迟值的波长。考虑到与测量精度的关系，优选400～10000nm的波长板，更优选1200～8000nm的波长板，尤其优选2000～6000nm的波长板。作为波长板的材料一般可以列举伸长的聚合物薄膜或水晶、方解石等无机结晶，但由于波长板直接影响测量的相位差的值，因此希望不会轻易因温度或湿度等环境改变而改变。作为这样的波长板的优选例，可以列举用玻璃将水晶、方解石、聚合物伸长薄膜夹在中间的材料。

[测量顺序]

下面说明测量顺序的一个例子。

使入射偏振器的透射轴与整个试样台的旋转轴方向成45°角地固定偏振器。接着，在光轴上没有波长板和试样的状态下使检偏器旋转360°，边用分光器观测透射的光谱，边检测出透射率最小的位置和透射率最大的位置，分别作为正交偏光位置和平行偏光位置。分别将这些时候的分光光谱为0％和100％，校正光学系，使其能够进行透射率测量，然后使检偏器为正交偏光或平行偏光地配置检偏器。下面说明正交偏光。接着，测量作为标准的波长板的相位差。通过光轴旋转使波长板旋转360°，检测试样的透射率为最小时的角度。然后从最小的角度开始旋转45°(在正交偏光下为亮光位置)，测量分光光谱，这样就能够获得图1所示的光谱。用公式(14)的第一要素对该光谱进行拟合，通过这样能够求出相位差。由于波长板能够使用已知的波长板，因此波长板的滞相轴(在折射率大的轴与光学轴平行或正交)事先已知，因此也可以在从最初开始使滞相轴倾斜45°的状态下测量分光光谱。

接着使波长板从光轴上避开，通过光轴旋转使试样旋转360°，检测试样的透射率最小的角度。然后使波长板与滞相轴成45°角将其插入，将试样设定在透射率为最小的角度±45°的位置上，测量2个分光光谱。与波长板时一样拟合该分光光谱，由公式(14)能够求出波长板+试样或波长板-试样(与公式(14)一样能够求出偏振器与检偏器为正交偏光、具有滞相轴相对于偏振器的透射轴倾斜-45°角的试样和滞相轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的波长板的光学系的斯托克斯参数)的相位差。在±45°这2个配置中，由于获得波长板+试样的配置中波长板与试样的滞相轴一致，由此能够识别试样的滞相轴。通过以上过程能够获得相位差的波长色散和滞相轴的方向。

本发明的方法在测量了波长板之后使波长板避退，通过旋转光轴使试样旋转360°检测出试样的透射率最小的角度，然后在保持该配置的状态下测量光谱。这就是未受相位差影响的分光光谱(吸收、散射光谱)。与上述一样，在插入了波长板的状态下求出试样±45°的分光光谱，在拟合之前用吸收、散射光谱去除该分光光谱，通过这样修正吸收或散射引起的透射率的损失。由此，即使具有吸收或散射的试样也能够精度良好地测量相位差。

[修正和拟合的方法]

根据获得的数据按上述公式(8)用t(λ)去除T(λ)，进行光谱的修正，确定相位差。

实际上用t(λ)去除而获得的修正后的光谱T(λ)最好再用公式(16)进行拟合。即，最好用上述柯西公式作为相位差的波长色散，再考虑光学系的干扰等引起的透射率的变化。

Tmax(λ)、Tmin(λ)为修正透射率的量，既可以是与波长无依存性的常数，也可以是一次式(17)、二次式(18)或指数函数(19)，但在精度上一次式就足够了。

Tmax，Tmin＝D+Eλ    (17)

Tmax，Tmin＝D+Eλ+Fλ²    (18)

$T\max ,T\min =D+\mathrm{Eexp}\left[\frac{-(\mathrm{\λ}-F)}{G}\right]---\left(19\right)$

拟合方法可以使用例如《科学测量用数据处理入门》(南茂夫主编、河田聪编著)中记载的非线性最优化方法或遗传算法等。这些方法中拟合时的初始值非常重要，为了进行精度良好的拟合，最好预先使公式(16)中的C＝0、Tmax＝1、Tmin＝0进行拟合，将其结果作为初始值拟合所有的参数。在拟合过程中，使平方误差为最小的方法是最流行的方法。或者，也可以优选使用由于峰谷的峰值位置重要因此将例如(50-T(λ))的平方作为加权函数乘以各波长的平方误差的方法，或者因为吸收、散射光谱的透射率高的部分重要因此将例如吸收、散射光谱乘以各波长的平方误差的方法，或者这些方法的组合。

即使不按照上述顺序，只要能够获得必要的测量数据，本发明的相位差确定方法并不局限于上述方法。实际上，在没有波长板的情况下虽然不能检测到滞相轴，但能够进行相位差测量。并且，试样或波长板在光轴上的旋转也可以不是360°而是180°。而且，将偏振器配置在45°以外也可以进行测量，偏振器与检偏器不是正交偏光而是平行偏光也可以进行测量。

[实施例]

下面举实施例更具体地说明本发明。以下的实施例只要不超出本发明的宗旨，可以进行适当的变更。因此，本发明的范围并不局限于以下的具体例子。

(相位差测量装置的结构)

使用了图4所示结构的相位差测量装置。将偏振器固定成45°角，使用图5所示的具有相位差的水晶板作为波长板。使用卤素灯(EDI100DH，三菱RAYON公司制)作为光源，使用碘系偏振器(HC2-8118，サンリツツ公司制)作为偏振器和检偏器，使用光纤型多通道分光器(USB2000，Ocean Optics公司制，A/D分辨率12bit，波长分辨率(FWHM)1.5nm)作为分光器。测量波长范围为400～700nm。

(实施例1、比较例1、参照例1)

测量了550nm上具有大约λ/4的相位差的试样。根据上述顺序，使偏振器与检偏器的配置为正交偏光，将波长板和试样的滞相轴设定成相对于偏振器的透射轴成45°角度进行了测量。用公式(16)和公式(17)付与了最小平方误差的值作为拟合的解。在实施例1中，将层叠了在上述具有λ/4相位差的试样上着上了绿色的没有相位差的滤光器的材料作为试样。在没有波长板的状态下通过旋转光轴使该试样旋转360°，检测试样的透射率为最小的角度，然后在保持这种配置的状态下测量光谱，用于光谱修正。在比较例1中，除了将重叠了在具有λ/4相位差的试样上着上了绿色的没有相位差的滤光器的材料作为试样，没有进行实施例1中进行过的光谱修正。参照例1中使用没有重叠绿色滤光器的试样，没有进行实施例1中进行过的光谱修正。将实施例1和比较例1的光谱表示在图6中，此时测量到的相位差的波长色散表示在图7中，将500、550、600nm上的相位差的值表示在表1中。拟合中使用了作为非线性最优化之一的以速度快并且精度高而为人知的Levenberg-Marquardt算法，通过在计算机上计算求出了相位差。

[表1]

试样	500nm	550nm	600nm
				实施例1	136.4	135.7	135.1
比较例1	137.4	139.3	125.4
				参照例1	136.6	135.6	134.8

而且，对同时使用了(50-T(λ))的平方和吸收、散射光谱的误差取代平方误差也进行了拟合，但结果基本相同。通过以上结果可以知道，本发明的方法即使是具有吸收或散射的相位差的试样也能够精度良好地测量相位差。

Claims (9)

1.一种根据依次配置有光源、偏振器、试样、检偏器和分光器的光学系中测量到的分光光谱确定该试样的相位差的方法，包括以下过程：准备未受该试样的相位差影响的该试样的分光光谱数据；对使该偏振器的透射轴、该试样的光学轴和该检偏器的透射轴的配置为检测该试样的相位差的配置而测量的至少一个分光光谱进行测量；用上述分光光谱数据修正上述分光光谱。

2.一种根据依次配置有光源、偏振器、试样、检偏器和分光器的光学系中测量到的分光光谱确定该试样的相位差的方法，包括以下过程：(1)使偏振器与检偏器为平行偏光配置，并且使偏振器的透射轴与试样的光学轴的夹角为0°或90°，测量分光光谱；(2)使偏振器与检偏器为平行偏光配置或正交偏光配置，并且使试样的光学轴与偏振器的透射轴的夹角为45°，测量分光光谱；(3)用(2)中获得的光谱修正(1)中获得的光谱。

3.如权利要求2所述的方法，通过用(2)中获得的光谱在波长λ的透射率去除(1)中获得的光谱在该波长λ的透射率来进行修正。

4.一种相位差测量装置，其包括依次配置有光源、偏振器、试样台、检偏器和分光器的光学系以及用下述(11)修正(12)的单元：(11)配置在试样台上的未受试样的相位差影响的该试样的分光光谱数据；(12)使偏振器与检偏器为平行偏光配置或正交偏光配置，并且使配置在试样台上的试样的光学轴与偏振器的透射轴的夹角为45°而测量的分光光谱。

5.一种相位差测量装置，其包括依次配置有光源、偏振器、试样台、检偏器和分光器的光学系以及用下述(21)修正(12)的单元：(21)使偏振器的透射轴、配置在试样台上的试样的光学轴和该检偏器的透射轴的配置为不检测该试样的相位差的配置而测量到的分光光谱；(12)使偏振器与检偏器为平行偏光配置或正交偏光配置，并且使配置在试样台上的试样的光学轴与偏振器的透射轴的夹角为45°而测量的分光光谱。

6.一种相位差测量装置，其包括依次配置有光源、偏振器、试样台、检偏器和分光器的光学系以及用下述(31)修正(12)的单元：(31)使偏振器与检偏器为平行偏光配置，并且使偏振器的透射轴与配置在试样台上的试样的光学轴的夹角为0°或90°而测量的分光光谱；(12)使偏振器与检偏器为平行偏光配置或正交偏光配置，并且使配置在试样台上的试样的光学轴与偏振器的透射轴的夹角为45°而测量的分光光谱。

7.如权利要求4～6中的任一项所述的相位差测量装置，还包括用柯西色散公式拟合上述(12)的单元。

8.如权利要求4～7中的任一项所述的相位差测量装置，在上述光学系的偏振器与检偏器之间配置有波长板。

9.如权利要求8所述的相位差测量装置，在测量波长区域内的2个以上的波长的每一个中，用0.5以上的整数或半整数去除上述波长板的延迟值的值与该波长一致。

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