CN101504329B - 双折射测定方法、装置以及程序 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双折射测定方法、装置以及程序，其以简单的结构测定双折射特性，而无需花费较高成本等。双折射测定装置具有光源、偏振元件、相位元件、旋转检偏元件、感光器以及控制器。相位差薄膜插入在相位元件和旋转检偏元件之间。控制器将旋转检偏元件的透射轴方位和该透射轴方位时由感光器感光的光强度相关联而生成光强度数据。将偏振元件的透射轴方位为γ1时的第1光强度数据、和透射轴方位为γ2(γ2是与γ1不同的方位)时的第2光强度数据，存储到光强度数据存储部中。基于第1或者第2光强度数据，求出相位差薄膜的主轴方位，同时，基于相位差薄膜的主轴方位、第1光强度数据、及第2光强度数据，求出相位差薄膜的延迟量。

Description

双折射测定方法、装置以及程序

技术领域

本发明涉及一种双折射测定方法、装置以及程序，其对液晶显示装置中使用的相位差薄膜等光学薄膜的双折射特性进行测定。

背景技术

近年来，液晶型显示装置(以下称为“液晶显示装置”)大量上市。在该液晶显示装置的显示面板中设置封装有液晶物质的液晶单元，在该液晶单元的一侧设置有背光灯和偏振滤光片，另一侧设置有相位差薄膜和偏振滤光片。

由于液晶元件具有波长依赖性，即透射率与光的波长对应而变化，所以如果使经过背光灯及偏振滤光片的光在液晶元件中透射，则该透射光产生相位差。该透射光的相位差由相位差薄膜进行补偿。因此，为了可靠地对透射光的相位差进行补偿，要求高精度地测定相位差薄膜的主轴方位(超前相轴方位或者滞后相轴方位)及相位差(延迟量(retardation))等双折射特性。

当前，作为测定双折射特性的方法，提出了旋转检偏元件法、相位调制元件法、旋转相位元件法等各种方法(参照专利文献1～3)。例如，在使用旋转检偏元件法的双折射测定装置中，沿光源的光轴依次配置光源、分光器、偏振元件、旋转检偏元件、以及感光器，在偏振元件和旋转检偏元件之间插入相位差薄膜等测定对象，对测定对象的主轴方位和延迟量进行测定(参照专利文献1)。

在专利文献1的双折射测定装置中，通过以下工序求出相位差薄膜的主轴方位和延迟量。首先，使旋转检偏元件以恒定的角速度旋转，将从该旋转检偏元件出射的光利用感光器进行检测。然后，将旋转检偏元件的旋转角度与该旋转角度时由感光器检测到的感光光强度相关联地存储到存储器中。然后，基于存储器中存储的旋转角度以及该旋转角度时的感光光强度，求出相位差薄膜的主轴方位以及延迟量。

另外，在使用相位调制法的双折射测定装置中，取代上述双折射测定装置的相位元件，而设置光弹性调制器，其使入射至相位差薄膜前的光的相位周期性变化(参照专利文献2)。另外，在使用旋转相位元件法的双折射测定装置中，通过使上述双折射测定装置中固定的相位元件旋转而进行测定(参照专利文献3)。

专利文献1：特开平10-82697号公报

专利文献2：特表2006-511823号公报

专利文献3：特开2004-20343号公报

发明内容

但是，专利文献2的双折射测定装置存在所使用的光弹性调制器价格高且该光弹性调制器容易受温度影响的问题。而且，在专利文献2中，可以测定的延迟量的范围被限定为“0～λ/2(λ：光源的波长)”。另外，在专利文献3的双折射测定装置中，由于相对于测定对象，不仅在光源侧，而且在感光器侧也设置相位元件，因此存在装置的结构复杂，双折射特性的测定成本高的问题。

与此相对，专利文献1的双折射测定装置与专利文献2及3的装置相比，可以简单地对双折射特性进行测定，而不会使成本变高，但存在下述问题。在专利文献1的双折射测定装置中，基于预先从理论上得到的延迟量计算式，求出相位差薄膜的延迟量。延迟量计算式是将检偏元件观测值与延迟量之间的关系以余弦函数表示的算式，其中，该观测值是根据旋转检偏元件的旋转角度及该旋转角度时的感光光强度得到的。在延迟量计算式中，观测值落入“-1”～“+1”的范围内，在观测值为“±1”或者“±1的附近”的情况下，存在与该观测值对应的延迟量的测定精度变得非常低的问题。

针对该问题，在专利文献1中，在观测值为“±1”或者“±1的附近”的情况下，通过在偏振元件和相位差薄膜之间插入相位元件，而防止延迟量的测定精度下降。但是，由于需要另外准备用于使相位元件插入或离开的装置，所以成本增加。另外，由于在将相位元件插入时，需要进行相位元件的主轴对位，所以测定变得费时费力。

本发明的目的在于提供一种双折射测定方法、装置以及程序，其能够以简单的结构高精度地测定主轴方位及延迟量等双折射特性，而不会花费大量成本、工夫以及时间等。

为了实现上述目的，本发明的双折射测定方法使用光源、偏振元件、相位元件、检偏元件透射轴方位以固定的旋转角度进行变化的旋转检偏元件、以及感光器，在所述相位元件和所述旋转检偏元件之间插入测定对象，求出所述测定对象的延迟量，其特征在于，具有：第1光检测步骤，其在将所述偏振元件的透射轴固定在第1透射轴方位的状态下，使来自所述光源的光，经由所述偏振元件、所述相位元件、所述测定对象、以及所述旋转检偏元件，由所述感光器进行检测；第1光强度数据生成步骤，其在所述第1光检测步骤后，将所述旋转检偏元件的透射轴方位和该透射轴方位时由所述感光器检测出的光的强度相关联而生成第1光强度数据；透射轴方位变更步骤，其将所述偏振元件的透射轴从所述第1透射轴方位变更为与所述第1透射轴方位不同的第2透射轴方位；第2光检测步骤，其在将所述偏振元件的透射轴固定在所述第2透射轴方位的状态下，进行与所述第1光检测步骤相同的步骤；第2光强度数据生成步骤，其在所述第2光检测步骤后，进行与所述第1光强度数据生成步骤相同的步骤，生成第2光强度数据；主轴方位计算步骤，其基于所述第1或者第2光强度数据，求出所述测定对象的主轴方位；以及延迟量计算步骤，其基于所述测定对象的主轴方位、所述第1光强度数据、以及所述第2光强度数据，求出所述测定对象的延迟量。

优选上述双折射测定方法还具有：第1测定前光强度数据生成步骤，其在所述第1光检测步骤之前，在去除所述测定对象的状态下，进行与所述第1光检测步骤以及第1光强度数据生成步骤相同的步骤，生成第1测定前光强度数据；第1斯托克斯参数计算步骤，其基于所述第1测定前光强度数据，求出第1斯托克斯参数，该第1斯托克斯参数表示入射至所述测定对象之前的光的偏振状态；第2测定前光强度数据生成步骤，其在所述第2光检测步骤之前，在去除所述测定对象的状态下，进行与所述第2光检测步骤以及第2光强度数据生成步骤相同的步骤，生成第2测定前光强度数据；以及第2斯托克斯参数计算步骤，其基于所述第2测定前光强度数据，求出第2斯托克斯参数，该第2斯托克斯参数表示入射至所述测定对象之前的光的偏振状态，在所述主轴方位计算步骤中，在所述第1或者第2光强度数据的基础上，根据所述第1或者第2斯托克斯参数，求出所述测定对象的主轴方位，在所述延迟量计算步骤中，在所述测定对象的主轴方位、所述第1光强度数据、以及第2光强度数据的基础上，根据所述第1以及第2斯托克斯参数，求出所述测定对象的延迟量。

上述第1测定前光强度数据生成步骤、上述第1斯托克斯参数计算步骤、上述第2测定前光强度数据生成步骤、以及上述第2斯托克斯参数计算步骤中的计算，并不限于在测定前进行，优选预先进行。这样，无需在测定对象的测定流程中对上述测定对象进行移除及设置。同时，在测定流程中无需上述第1及第2测定前光强度数据生成步骤、第1及第2斯托克斯参数计算步骤，从而可以缩短测定时间。

优选所述延迟量计算步骤包含：第1延迟量候选值确定步骤，其基于根据所述第1斯托克斯参数、所述第1光强度数据、以及所述测定对象的主轴方位得到的第1观测值，确定所述测定对象的多个第1延迟量候选值；第2延迟量候选值确定步骤，其基于根据所述第2斯托克斯参数、所述第2光强度数据、以及所述测定对象的主轴方位得到的第2观测值，确定所述测定对象的多个第2延迟量候选值；以及延迟量确定步骤，其从多个所述第1以及第2延迟量候选值中，将值相同或者大致相同的延迟量候选值确定为所述测定对象的延迟量。

优选将所述第1观测值和所述第1延迟量候选值之间的关系、以及所述第2观测值和所述第2延迟量候选值之间的关系以正弦函数表示，根据所述第1观测值和所述第1延迟量候选值之间的关系而得到的正弦曲线，与根据所述第2观测值和所述第2延迟量候选值而得到的正弦曲线相差规定的相位。

优选所述第1或者第2观测值大于或等于“-1”而小于或等于“1”，所述延迟量确定步骤包括下述步骤：从多个所述第1及第2延迟量候选值中，确定值相同或者大致相同的延迟量候选值；判定与值相同或者大致相同的延迟量候选值对应的观测值是否落在除了“±1”或者“±1的附近”之外的范围内；以及将与落在除了“±1”或者“±1的附近”之外的范围内的观测值对应的延迟量候选值，确定为所述测定对象的延迟量。

优选在所述透射轴方位变更步骤中，将所述偏振元件的透射轴变更为相对于所述主轴方位与所述第1透射轴方位对称的所述第2透射轴方位。优选经过所述偏振元件以及所述相位元件后的光是圆偏振光、线偏振光、或者椭圆偏振光。优选所述测定对象是相位差薄膜。

本发明的双折射测定装置的特征在于，具有：透射轴方位变更部，其使所述偏振元件的透射轴在第1透射轴方位和与所述第1透射轴方位不同的第2透射轴方位之间进行变更；光检测部，其在所述偏振元件的透射轴固定在所述第1透射轴方位或者所述第2透射轴方位的状态下，使来自所述光源的光，经由所述偏振元件、所述相位元件、所述测定对象、以及所述旋转检偏元件，由所述感光器进行检测；光强度数据生成部，其将所述旋转检偏元件的透射轴方位和该透射轴方位时由所述感光器检测出的光的强度相关联，生成在所述偏振元件的透射轴位于所述第1透射轴方位时的第1光强度数据、以及在所述偏振元件的透射轴位于所述第2透射轴方位时的第2光强度数据；主轴方位计算部，其基于所述第1或者第2光强度数据，求出所述测定对象的主轴方位；以及延迟量计算部，其基于所述测定对象的主轴方位、所述第1光强度数据、以及所述第2光强度数据，求出所述测定对象的延迟量。

本发明的双折射测定程序的特征在于，使计算机执行以下工序：在将所述偏振元件的透射轴固定在第1透射轴方位的状态下，使来自所述光源的光，经由所述偏振元件、所述相位元件、所述测定对象、以及所述旋转检偏元件，由所述感光器进行检测；在所述第1光检测步骤后，将所述旋转检偏元件的透射轴方位和该透射轴方位时由所述感光器检测出的光的强度相关联而生成第1光强度数据；将所述偏振元件的透射轴从所述第1透射轴方位变更为与所述第1透射轴方位不同的第2透射轴方位；在将所述偏振元件的透射轴固定在所述第2透射轴方位的状态下，进行与所述第1光检测步骤相同的步骤；在所述第2光检测步骤后，进行与所述第1光强度数据生成步骤相同的步骤，生成第2光强度数据；基于所述第1或者第2光强度数据，求出所述测定对象的主轴方位；以及基于所述测定对象的主轴方位、所述第1光强度数据、以及所述第2光强度数据，求出所述测定对象的延迟量。

发明的效果

根据本发明，能够以简单的结构高精度地测定主轴方位及延迟

量等双折射特性，而无需耗费大量成本、工时、以及时间等。

附图说明

图1是表示本发明的双折射测定装置的概略图。

图2是表示本发明的双折射测定方法的流程的流程图。

图3是将透射轴方位为γ1的情况下的延迟量候选值与观测值之间的关系以正弦曲线表示的曲线图。

图4是将透射轴方位为γ2的情况下的延迟量候选值与观测值之间的关系以正弦曲线表示的曲线图。

图5是将透射轴方位为γ1以及γ2的情况下的延迟量候选值与观测值之间的关系以正弦曲线表示的曲线图。

图6是将透射轴方位为γ1以及γ2的情况下的延迟量候选值与观测值之间的关系以正弦曲线表示的曲线图。

图7是表示相位差范围与测定再现性之间的关系的曲线图。

图8是表示BSC进给量与相位差测定值之间的关系的曲线图。

图9是表示人工水晶制λ/8相位差片的实际测量值与理论值之间的关系的曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的双折射测定装置10具有光源11、分光器12、光纤13、透镜14、偏振元件15、相位元件16、检偏部17、以及感光器18。在这里，沿光源的光轴LL依次设置光源11、分光器12、光纤13的入射部25，沿光纤13的出射部27的光轴L依次设置透镜14、偏振元件15、相位元件16、检偏部17、感光部18。另外，双折射测定装置10中设置有进行各种控制以及运算的控制器20。将测定对象即相位差薄膜19插入至相位元件16和旋转检偏元件17之间。此外，也可以将分光器12沿光轴L设置在检偏部17和感光器18之间。

使光纤13的出射部27、透镜14、偏振元件15、相位元件16、相位差薄膜19、检偏部17、以及感光器18的感光面18a的中心位于光轴L上。以下，将光轴L的方向作为Z方向，将与光轴L正交的平面内的水平方向作为X方向，垂直方向作为Y方向。

光源11由单色光源或者白色光源构成。单色光源使用He-Ne激光器、激光二极管、以及LED等。白色光源使用卤素灯、Xe灯等。此外，为了将来自光源11的光高效地引导至光纤13的入射部25，也可以在光纤13的入射部25前侧沿光轴LL安装透镜或椭圆镜等聚光单元。

分光器12由分光滤光器或衍射光栅构成，从来自光源11的光中提取中心波长为590nm、半高宽为10nm的光。此外，将由分光器提取的光的中心波长设为590nm，但并不限定于此，只要可以通过分光器提高来自光源的光的单色性即可。例如，优选中心波长为440nm、550nm、630nm、750nm。另外，将半高宽设为10nm，但并不限定于此。

光纤13具有：入射部25，其用于取入来自分光器12的光；分支部26，其将入射的光分支为3束；以及出射部27，其用于将分支后的各束光射出。出射部27由3个出射部27a～27c构成。这样，通过将来自光源11的光分支至多个出射部27a～27c，可以对相位差薄膜16的多个位置进行测定。此外，使出射部27a～27c具有3个，但也可以是2个或者大于或等于4个。

此外，作为光纤的种类，在来自分光器的光为波长落入蓝色或者红外光的波长区域中的光的情况下，与光衰减较大的塑料制光纤相比，优选石英玻璃制光纤。另外，为了使透镜14对来自光纤13的出射部27的光的聚光作用的效率提高，优选光纤的裸线直径为细径，具体地说，优选50～800μm，更优选200～400μm。

透镜14由远心透镜等构成，使来自光纤13的各出射部27a～27c的光成为与光轴L平行的光。透镜14的焦点位于光纤的出射部27b的出射面上。由此，从透镜14出射的光成为与光轴L平行的光。在利用光纤13的裸线直径而使从透镜14射出的光的光斑直径为数mm的情况下，优选透镜的焦距为40mm。另外，优选从透镜射出的光是光斑直径为大约4mm的平行光。

偏振元件15由线偏振片构成，将来自透镜14的光变换为线偏振光。偏振元件15使用消光比为10^-6～10^-5量级的元件，例如，使用利用碘吸收的高分子型或利用光学晶体的棱镜型。

将偏振元件15的透射轴15a的透射轴方位以相对于Y方向的角度γ表示，假定在透射轴位于+Y方向的情况下，透射轴方位γ为0°，在透射轴15a相对于+Y方向位于右半圆侧的情况下，透射轴方位γ为正方位，在透射轴15a相对于+Y方向位于左半圆侧的情况下，透射轴方位γ为负方位。在偏振元件15上安装方位变更部29，该方位变更部29根据来自控制器20的指示，使偏振元件15沿顺时针方向R1或者逆时针方向R2旋转，而变更透射轴方位γ。将透射轴方位的可变更范围设定为-π/2～π/2(-90°～90°)，但不限定于此。

相位元件16由1/4波长片构成，将来自偏振元件15的线偏振光变换为椭圆偏振光。相位元件16使用由具有双折射特性的水晶等光学晶体组合而成的元件。将相位元件16的主轴16a(超前相轴)设定在从+Y方向沿R1方向旋转45°的方位上。在偏振元件15的透射轴方位γ为0°之外的情况下，相位元件16将来自偏振元件15的线偏振光变换为椭圆偏振光，在偏振元件15的透射轴方位γ为0°的情况下，相位元件16将来自偏振元件15的线偏振光变换为圆偏振光。

将刚从相位元件16射出后的偏振状态以斯托克斯参数S0、S1、S2、S3表示。将上述S1、S1、S2根据S0规一化后的斯托克斯参数，在后面记作XP、YP、ZP。在测定相位差薄膜的双折射特性之前，预先通过控制器的运算求出斯托克斯参数XP、YP、ZP。

相位差薄膜19是测定对象，该相位差薄膜的主轴方位α和延迟量δ(相位差)通过控制器20的运算求出。此外，测定对象并不限于相位差薄膜，也可以是其他光学部件。

将相位差薄膜19的主轴19a(超前相轴)的主轴方位α以相对于Y方向的角度表示。假定在主轴19a位于+Y方向的情况下，主轴方位α为0°，在主轴19a相对于+Y方向位于右半圆侧的情况下，主轴方位α为正方位，在主轴19a相对于+Y方向位于左半圆侧的情况下，主轴方位α为负方位。

另外，在相位差薄膜19上安装方位变更部31，该方位变更部31使相位差薄膜19向R1方向或者R2方向旋转，而变更相位差薄膜19的主轴方位α。另外，在相位差薄膜19上安装移动部33，该移动部33使相位差薄膜19在XY平面内移动，从而使相位差薄膜19的规定的测定位置位于光轴L上，另外，使相位差薄膜19在XY平面内移动，从而使相位差薄膜19离开光轴L。

检偏部17具有旋转检偏元件40、旋转体41、旋转驱动部42、以及编码器43。旋转检偏元件40由线偏振片构成，将从相位元件16或者相位差薄膜19出射的光变换为线偏振光。旋转检偏元件40的透射轴40a的透射轴方位θ以相对于Y方向的角度表示，假定在透射轴40a位于+Y方向的情况下，透射轴方位θ为0°。旋转体41设置有中空部，旋转检偏元件40嵌入至该中空部。

旋转驱动部42具有无刷电动机或步进电动机等驱动源45以及将驱动源45和旋转体41连结的皮带或齿轮等连结部46。来自驱动源45的旋转驱动经由连结部46传递至旋转体41。由此，旋转体41以恒定的周期T沿R1方向旋转。随着该旋转体41的旋转，旋转检偏元件40的透射轴方位θ以恒定的周期T进行变更。编码器43安装在旋转体41上，每当旋转体41旋转固定的旋转角度时，向控制器20发送编码器脉冲信号。

感光器18将从旋转检偏元件40出射的光变换为电信号。该电信号(以下称为“光强度信号”)由A/D变换器从模拟信号变换为数字信号，并发送至控制器20。感光器18的感光面18a上设置有例如光电二极管、光电倍增管(PMT(Photo Multiplier Tube))、CCD(Charge Coupled Device)中的任意一种。此外，优选根据感光面18a的形式来设置将电流信号变换为电压的电流/电压变换器、或者用于使感光灵敏度可变的灵敏度调整器。

控制器20具有光强度数据存储部50、ROM 51、以及RAM 52。控制器20基于来自编码器43的编码器脉冲信号和来自感光器18的光强度信号，将旋转检偏元件40的透射轴方位θ和该透射轴方位θ时由感光器18检测出的感光光强度相关联而生成光强度数据。将该光强度数据存储到光强度数据存储部50中。在ROM 51中存储进行用于求出斯托克斯参数XP、YP、ZP的处理、求出相位差薄膜的主轴方位α及延迟量δ的处理的程序。RAM 52存储通过执行前述的程序而得到的各种数据。

下面，参照图2的流程图，说明双折射测定装置的作用。首先，在将相位差薄膜19设置在光轴L上之前，通过方位变更部29使偏振元件15沿R1方向旋转，将透射轴方位γ变更为正方位γ1。然后，在使旋转检偏元件40以恒定的角速度(2π/T)旋转的状态下，由光源11进行光的照射。照射来的光经由分光器12、光纤13、透镜14、偏振元件15、相位元件16、以及旋转检偏元件40，由感光器18进行检测。另外，使用编码器43对旋转检偏元件40的透射轴方位θ进行检测，将检测出的旋转检偏元件40的透射轴方位θ和该透射轴方位θ时的感光光强度相关联而生成光强度数据SA1(θ)。将该光强度数据SA1(θ)存储在光强度数据存储部50中。以下，将从由光源进行光的照射至生成光强度数据为止的步骤称为“光强度数据生成步骤”。此外，优选透射轴方位γ1为8°。

然后，基于光强度数据存储部50中存储的光强度数据SA1(θ)，求出斯托克斯参数XP1、YP1、ZP1。将求出的斯托克斯参数XP1、YP1、ZP1存储到RAM 52中。该斯托克斯参数的计算方法在后面记述。

然后，对移动部33进行操作，将相位差薄膜19的规定的测定位置设置在光轴L上。在将相位差薄膜19的规定的测定位置设置在光轴L上之后，进行光强度数据生成步骤，生成光强度数据SB1(θ)。将该光强度数据SB1(θ)存储到光强度数据存储部50中。

然后，基于光强度数据存储部50中存储的光强度数据SB1(θ)、和RAM 52中存储的斯托克斯参数XP1、YP1，根据下述算式1求出相位差薄膜19的主轴方位α。

【算式1】

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}D(\mathrm{XP}1,\mathrm{YP}1,\mathrm{SB}1\left(\mathrm{\θ}\right))$

算式1是预先从理论上推导出的算式，对于该式的推导方法在后面记述。

如算式1所示，由于将光强度数据SB1(θ)及斯托克斯参数XP1、YP1与主轴方位α之间的关系以反正切函数表示，所以能够由一个光强度数据SB1(θ)及斯托克斯参数XP1、YP1唯一地确定主轴方位α。如果求出了主轴方位α，则对方位变更部31进行操作，使相位差薄膜19沿R1方向或者R2方向旋转，将相位差薄膜19的主轴方位α变更为0°。

随后，在光强度数据SB1(θ)以及斯托克斯参数XP1、YP1、ZP1的基础上，基于相位差薄膜的主轴方位α，通过下述算式2求出延迟量候选值δ1j(j＝1，2)。通过后述的处理，将上述延迟量候选值中的一个确定为相位差薄膜19的延迟量δ。

【算式2】

δ1j＝sin^-1F1(XP1，YP1，ZP1，SB1(θ)，α)+K1(XP1，YP1，ZP1，α)

算式2是预先从理论上计算出的式子，该式的计算方法在后面记述。

算式2的右边第1项式是关于光强度数据SB1(θ)、斯托克斯参数XP1、YP1、ZP1、以及主轴方位α的反正弦函数。在这里，以下将算式2的F1(XP1，YP1，ZP1，SB1(θ)，α)的值称为“观测值”。另外，算式2的右边第2项式如后述的算式17所示，是关于光强度数据SB1(θ)、斯托克斯参数XP1、YP1、ZP1、以及主轴方位α的反正切函数。因此，根据一个光强度数据SB1(θ)、斯托克斯参数XP1、YP1、ZP1、以及主轴方位α，可以唯一地确定算式2的右边第2项式的值，与此相对，并不能唯一地确定算式2的右边第1项式的值。因此，无法根据一个光强度数据SB1(θ)、斯托克斯参数XP1、YP1、ZP1、以及主轴方位α而唯一地确定延迟量候选值δ1j。

另一方面，如果将算式2改写为关于延迟量候选值δ1j的正弦函数，则变为下述算式3。

【算式3】

F1＝sin(δ1j-K1)

在这里，F1表示F1(XP1，YP1，ZP1，SB1(θ)，α)，K1表示K1(XP1，YP1，ZP1，SB1(θ)，α)。图3是在2维曲线图上表示算式3的正弦曲线60，根据该正弦曲线60可知，对应于1个观测值F1存在2个延迟量候选值δ11、δ12。另外，将观测值F1和与该观测值F1对应的延迟量候选值δ11、δ12相关联而生成延迟量数据。将生成的延迟量数据存储到RAM 52中。

然后，对移动部33进行操作，使相位差薄膜19从光轴L上离开。然后，通过方位变更部29使偏振元件15沿R2方向旋转，将透射轴方位γ从正方位γ1变更为负方位γ2。该负方位γ2是相对于+Y方向与正方位γ1对称的方位。在将透射轴方位γ变更为负方位γ2后，进行光强度数据生成步骤，生成光强度数据SA2(θ)。将该光强度数据SA2(θ)存储到光强度数据存储部50中。此外，优选透射轴方位γ2为-8°。

然后，基于光强度数据存储部50中存储的光强度数据SA2(θ)，通过与求出斯托克斯参数XP1、YP1、ZP1的情况相同的方法，求出斯托克斯参数XP2、YP2、ZP2。在这里，由于偏振元件的透射轴方位γ2是位于与正方位γ1对称的位置上的负方位，所以在斯托克斯参数XP2、YP2、ZP2与斯托克斯参数XP1、YP1、ZP1之间存在XP2＝XP1、YP2＝-YP1、ZP2＝ZP1的关系。

然后，对移动部33进行操作，将相位差薄膜19的中心设置在光轴L上。将相位差薄膜19设置在光轴L上后，进行光强度数据生成步骤，生成光强度数据SB2(θ)。将生成的光强度数据SB2(θ)存储到光强度数据存储部50中。

然后，基于上述光强度数据SB2(θ)、斯托克斯参数XP2、YP2、ZP2、以及相位差薄膜的主轴方位α，通过下述算式4，求出相位差薄膜的延迟量候选值δ2j(j＝1，2)。

【算式4】

δ2j＝sin^-1F2(XP2，YP2，ZP2，SB2(θ)，α)+K2(XP2，YP2，ZP2，α)

算式4是预先从理论上推导出的式子，该式的推导方法与算式2的推导方法一起在后面说明。

算式4的右边第1项式是关于光强度数据SB2(θ)、斯托克斯参数XP2、YP2、ZP2、以及主轴方位α的反正弦函数。在这里，算式4的F2(XP2，YP1，ZP1，SB2(θ)，α)的值与上述F1相同地称为“观测值”。另外，算式4的右边第2项式如后述的算式17所示，是关于光强度数据SB2(θ)、斯托克斯参数XP2、YP2、ZP2、以及主轴方位α的反正切函数。因此，与算式2相同地，无法根据一个光强度数据SB2(θ)、斯托克斯参数XP2、YP2、ZP2、以及主轴方位α，而唯一地确定延迟量候选值δ2j。

另一方面，如果将算式4改写为关于延迟量候选值δ2j的正弦函数，则变为下述算式5。

【算式5】

F2＝sin(δ2j-K2)

在这里，F2表示F2(XP2，YP2，ZP2，SB2(θ)，α)，K2表示K2(XP2，YP2，ZP2，SB2(θ)，α)。图4是在2维曲线图上表示算式5的正弦曲线61，根据该正弦曲线61可知，对应于1个观测值F2存在2个延迟量候选值δ21、δ22。另外，如后述的算式17所示，在XP2＝XP1、YP2＝-YP1、ZP2＝ZP1时，K2＞K1，因此正弦曲线61是将正弦曲线60向T方向平行移动(K2-K1)后得到的。

然后，将观测值F2和与该观测值F2对应的延迟量候选值δ21、δ22相关联而生成延迟量数据。将生成的延迟量数据存储到RAM 52中。

然后，基于RAM 52中存储的延迟量数据，从4个延迟量候选值δ11、δ12、δ21、以及δ22中，确定出值相同或者大致相同的延迟量候选值。然后，判定与值相同或者大致相同的延迟量候选值对应的观测值是否落在测定精度容许范围内。所谓测定精度容许范围，是指能够确保延迟量候选值的精度的观测值的范围，具体地说，是指除了使延迟量候选值的精度降低的观测值的范围、即“±1”或者“±1的附近”的范围之外的范围。

在判定的结果为观测值F1以及F2这两者均落入测定精度容许范围内的情况下，将延迟量候选值的任意一个确定为相位差薄膜的延迟量δ。与此相对，在观测值F1以及F2仅有一个落入测定精度容许范围内的情况下，将与该落入测定精度容许范围内的观测值对应的延迟量候选值确定为相位差薄膜的延迟量δ。

例如，如图5所示，在将延迟量候选值δ1j与观测值之间的关系以正弦曲线63表示，延迟量候选值δ2j与观测值之间的关系以正弦曲线64表示的情况下，值相同或者大致相同的延迟量候选值是延迟量候选值δ12和δ22。另外，由于与延迟量候选值δ12对应的观测值F1以及与延迟量候选值22对应的观测值F2这两者均落入测定精度容许范围内，所以将延迟量候选值δ12或者22的任意一个确定为相位差薄膜19的延迟量δ。

另外，如图6所示，在将延迟量候选值δ1j与观测值之间的关系以正弦曲线66表示，延迟量候选值δ2j与观测值之间的关系以正弦曲线67表示的情况下，值相同或者大致相同的延迟量候选值是延迟量候选值δ12和δ22。另外，由于与延迟量候选值δ12对应的观测值F1落入测定精度容许范围内，而与另一个延迟量候选值δ22对应的观测值F2落在测定精度容许范围之外，所以将延迟量候选值δ12确定为相位差薄膜19的延迟量δ。

在现有的双折射测定装置中，例如在上述专利文献1的双折射测定装置中，将入射至测定对象即相位差薄膜的光的波长进行多次变更，每次变更其波长时求出延迟量候选值和观测值的关系。与此相对，在本发明的双折射测定装置中，并没有象现有的双折射测定装置那样设置对光的波长进行变更的装置等，而仅通过使偏振元件的透射轴方位进行多次(在上述实施方式中为2次)变更，就可以针对其透射轴方位的各次变更而求出多个(在上述实施方式中为2个)延迟量候选值与观测值之间的关系。

另外，在本发明的双折射测定装置中，通过将偏振元件的透射轴方位进行多次(在上述实施方式中为2次)变更，而得到多个(在上述实施方式中为2个)表示延迟量候选值与观测值之间的关系的正弦曲线。各正弦曲线之间相差固定的相位，例如图4所示，正弦曲线60和正弦曲线61的相位相差(K2-K1)。因此，即使在一个正弦曲线的观测值落在测定精度容许范围之外的情况下，至少另一个正弦曲线的观测值落入测定精度容许范围内。通过将与该落入测定精度容许范围内的观测值对应的延迟量候选值确定为相位差薄膜的相位差，可以得到高精度的延迟量，而无需如专利文献1的双折射测定装置那样另外设置用于使相位元件插入或者脱离的装置。

另外，对于双折射测定装置的各部分，在上述实施方式的情况下，存在分光器、光纤、透镜、偏振元件、相位元件、检偏部、感光部的校准误差，此外，还存在光学元件的光学特性，也就是说在上述实施方式的情况下，存在相位元件、偏振元件、旋转偏振元件、以及感光器的波长依赖性，由此产生上述校准误差及波长依赖性等对双折射测定的精度造成影响的问题。针对该问题，在本发明的双折射测定装置中，在测定相位差薄膜的主轴方位及延迟量之前，预先求出考虑了校准误差及波长依赖性等的斯托克斯参数。通过使用该斯托克斯参数，可以将由校准误差及波长依赖性造成的影响抑制在最低限度，高精度地测定双折射特性。

下面，说明相位差薄膜19的主轴方位α的计算式(算式1)以及延迟量候选值的计算式(算式2及算式4)的推导方法、和斯托克斯参数的实际测量值的计算方法。此外，在以下的说明中，S表示通过感光器得到的感光光强度的理论值，XP、YP、ZP表示斯托克斯参数的理论值。

首先，说明相位差薄膜19的主轴方位α的计算式(算式1)的推导方法。由感光器18感光的感光光强度可以在理论上进行表示，该可以在理论上表示的感光光强度S(以下，称为“理论光强度”)，使用斯托克斯参数XP、YP、ZP、和表示相位差薄膜以及旋转检偏元件的光学特性的米勒矩阵，表示为下述算式6。

【算式6】

S(θ)＝K{1+cos2θ((cos²2α+sin²2α·cosδ)·XP+cos2α·sin2α(1-cosδ)·YP-sin2α·sinδ·ZP)+sin2θ(cos2α·sin2α(1-cosδ)·XP+(sin²2α+cos²2α·cosδ)·YP+cos2α·sinδ·ZP)}≡K{1+cos2θ·A+sin2θ·B}

该算式6是将旋转检偏元件40的透射轴方位θ作为变量进行傅里叶级数展开而得到的。算式6中的K表示通过电信号变换增益等确定的常数。另外，A表示cos2θ成分的傅里叶系数，B表示sin2θ成分的傅里叶系数。将傅里叶系数A及B与相位差薄膜的主轴方位α、延迟量δ、以及斯托克斯参数XP、YP、ZP之间的关系，表示为下述算式7以及算式8。

【算式7】

(cos²2α+sin²2α·cosδ)·XP+cos2α·sin2α(1-cosδ)·YP-sin2α·sinδ·ZP＝A

【算式8】

cos2α·sin2α(1-cosδ)·XP+(sin²2α+cos²2α·cosδ)·YP+cos2α·sinδ·ZP＝B

另外，在尚未将相位差薄膜19设置在光轴L上时的理论光强度S表示为下述算式9，其表示在算式6中α＝0、δ＝0时的理论式。

【算式9】

S＝K{1+cos 2θ·XP+sin 2θ·YP}

在算式9中，斯托克斯参数XP表示cos2θ成分的傅里叶系数，斯托克斯参数YP表示sin2θ成分的傅里叶系数。

然后，使用在使相位差薄膜19从光轴L上脱离时的光强度数据SA1(θ)、SA2(θ)，进行傅里叶变换，求出算式9的傅里叶系数、即斯托克斯参数XPi、YPi(i＝1，2)。此外，傅里叶变换通过使用离散傅里叶变换(DFT)或FFT(快速傅里叶变换)等傅里叶变换算法等的滤波处理进行。

然后，基于斯托克斯参数XPi以及YPi，通过下述算式10求出斯托克斯参数ZPi。

【算式10】

$\mathrm{ZPi}=\±\sqrt{P^2-{\mathrm{XPi}}^2-{\mathrm{YPi}}^2}$

算式10的P表示根据消光比及光检测器的非理想性而生成的校正系数。所谓光检测器的非理想性，是指从检测器输出的信号的交流成分相对于直流成分的衰减。在偏振元件15以及旋转检偏元件40中包含非偏振成分的情况下，或在光检测器中存在非理想性的情况下，P小于1。校正系数P可以通过下述方法求出，即，在使相位元件16从光轴L上脱离的状态下，使用旋转检偏元件40的透射轴40a与偏振元件15的透射轴15a平行时(平行偏振元件(Parallelnicol))的光强度、和偏振元件正交时(垂直偏振元件(Crossnicol))的光强度，求出消光比，然后，使旋转检偏元件40旋转，根据光检测器的信号波形的直流成分和交流成分的振幅比(如果光检测器为理想元件则是1)求出校正系数P。该方法详见公知文献(“分光エリプソメトリ一、藤原祐之著、丸善(株)”)。

下面，使用将相位差薄膜19设置在光轴L上时的光强度数据SB1(θ)、SB2(θ)进行傅里叶变换，求出算式6的傅里叶系数Ai、Bi(i＝1，2)。

然后，将通过傅里叶变换求出的斯托克斯参数XPi、YPi、ZPi以及傅里叶系数Ai、Bi代入上述算式7以及算式8中，得到下述算式11以及算式12。

【算式11】

(cos²2α+sin²2α·cosδ)·XPi+cos2α·sin2α(1-cosδ)·YPi-sin2α·sinδ·ZPi＝Ai(SBi(θ))

【算式12】

cos2α·sin2α(1-cosδ)·XPi+(sin²2α+cos²2α·cosδ)·YPi+cos2α·sinδ·ZPi＝Bi(SBi(θ))

然后，通过将算式11和算式12联立求解，得到相位差薄膜的主轴方位α的计算式(算式13)、和延迟量候选值δij(i＝1，2)的计算式(算式14)。

【算式13】

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}D(\mathrm{XPi},\mathrm{YPi},\mathrm{SBi}\left(\mathrm{\θ}\right))$

【算式14】

δij＝sin^-1Fi(XPi，YPi，ZPi，SBi(θ)，α)+Ki

其中，算式13的D表示下述算式15，算式14的Fi表示算式16，式14的Ki表示算式17。

【算式15】

$D(\mathrm{XPi},\mathrm{YPi},\mathrm{SBi}\left(\mathrm{\θ}\right))=\frac{\mathrm{XPi}-\mathrm{Ai}\left(\mathrm{SBi}\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}{\mathrm{Bi}\left(\mathrm{SBi}\left(\mathrm{\θ}\right)\right)-\mathrm{YPi}}$

【算式16】

$\mathrm{Fi}(\mathrm{XPi},\mathrm{YPi},\mathrm{ZPi},\mathrm{SBi}\left(\mathrm{\θ}\right),\mathrm{\α})=\frac{\cos 2\mathrm{\α}\·\mathrm{Bi}\left(\mathrm{SBi}\left(\mathrm{\θ}\right)\right)-\sin 2\mathrm{\α}\·\mathrm{Ai}\left(\mathrm{SBi}\left(\mathrm{\θ}\right)\right)}{\sqrt{{(\sin 2\mathrm{\α}\·\mathrm{XPi}-\cos 2\mathrm{\α}\·\mathrm{YPi})}^2+{\mathrm{ZPi}}^2}}$

【算式17】

$\mathrm{Ki}(\mathrm{XPi},\mathrm{YPi},\mathrm{ZPi},\mathrm{\α})={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin 2\mathrm{\α}\·\mathrm{XPi}-\cos 2\mathrm{\α}\·\mathrm{YPi}}{\mathrm{ZPi}}\right)$

此外，在上述实施方式中，在没有将测定对象即相位差薄膜设置在装置上的状态下，求出斯托克斯参数，基于该斯托克斯参数，计算相位差薄膜的主轴方位以及延迟量，但也可以通过下述算式18，理论上求出斯托克斯参数，基于该理论上求出的斯托克斯参数，计算相位差薄膜的主轴方位以及延迟量。

【式18】

Xi＝cosε·cos2γi，

Yi＝sin2γi，

Zi＝sinε·cos2γi

在这里，算式18的ε表示相位元件的延迟量。

在上述实施方式中，将偏振元件的透射轴方位变更2次不同的方位，在每次变更时进行斯托克斯参数以及延迟量候选值的计算，基于上述斯托克斯参数以及延迟量候选值，确定相位差薄膜的延迟量，但不限定于此，也可以将偏振元件的透射轴方位变更多次(大于或等于3次)不同的方位，通过与上述相同的方法，确定相位差薄膜的延迟量。

实施例

在实施例中，首先，对作为测定对象物的BSC补偿元件的双折射相位差进行测定。BSC补偿元件是双折射相位差与测微螺杆进给量对应而连续变化的相位元件。在第1验证中，为了验证在双折射相位差范围0°～360°内可以高精度进行测定，而使BSC的相位差在0°～360°内变化，确认了测定绝对值和100次测定的重复再现性精度。相对于微型螺杆进给量，测定出的双折射相位差的线性度越高，则可以判断为测定精度越高。另外，如图7所示，将3σ(σ为标准偏差)作为重复再现性。本测定是在测定波长590nm的条件下实施的。

图8表示第1验证的结果。根据该图8，相对于BSC微型螺杆进给量，测定值(图8“○”)表现出非常高的线性度，表示本发明的双折射相位差的测定精度较高。同时，在0°～360°的范围内，具有0.06°以内这一较高的测定再现性，通过本发明所涉及的双折射相位差的测定方法，可以准确地测定0°～360°范围内的双折射相位差。

下面，通过人工水晶制λ/8相位元件，对本发明的双折射相位差的波长依赖性进行验证(第2验证)。在第2验证中，将测定波长设为450nm、550nm、590nm、630nm、750nm。双折射相位差的理论值是基于在人工水晶的文献值中已知的普通光折射率no、异常光折射率ne，使用Sellmeier的色散公式进行计算的。

图9表示第2验证的结果。如该图9所示，在整个测定波长的范围内，通过本发明的测定方法测定出的实际测量值(图9“□”)，与理论值(图9“○”)良好地吻合，由此可知能够以高精度实现本发明所涉及的双折射相位差的波长依赖性(色散)的测定。

Claims (7)

1.一种双折射测定方法，其使用光源、偏振元件、相位元件、透射轴方位以固定的旋转角度进行变化的旋转检偏元件、以及感光器，在所述相位元件和所述旋转检偏元件之间插入测定对象，求出所述测定对象的延迟量，

其特征在于，具有：

第1光检测步骤，其在将所述偏振元件的透射轴固定在第1透射轴方位的状态下，使来自所述光源的光，经由所述偏振元件、所述相位元件、所述测定对象、以及所述旋转检偏元件，由所述感光器进行检测；

第1光强度数据生成步骤，其在所述第1光检测步骤后，将所述旋转检偏元件的透射轴方位和该透射轴方位时由所述感光器检测出的光的强度相关联而生成第1光强度数据；

透射轴方位变更步骤，其将所述偏振元件的透射轴从所述第1透射轴方位变更为与所述第1透射轴方位不同的第2透射轴方位；

第2光检测步骤，其在将所述偏振元件的透射轴固定在所述第2透射轴方位的状态下，进行与所述第1光检测步骤相同的步骤；

第2光强度数据生成步骤，其在所述第2光检测步骤后，进行与所述第1光强度数据生成步骤相同的步骤，生成第2光强度数据；

主轴方位计算步骤，其基于所述第1或者第2光强度数据，求出所述测定对象的主轴方位；

延迟量计算步骤，其基于所述测定对象的主轴方位、所述第1光强度数据、以及所述第2光强度数据，求出所述测定对象的延迟量；

第1测定前光强度数据生成步骤，其在所述第1光检测步骤之前，在去除所述测定对象的状态下，进行与所述第1光检测步骤以及第1光强度数据生成步骤相同的步骤，生成第1测定前光强度数据；

第1斯托克斯参数计算步骤，其基于所述第1测定前光强度数据，求出第1斯托克斯参数，该第1斯托克斯参数表示入射至所述测定对象之前的光的偏振状态；

第2测定前光强度数据生成步骤，其在所述第2光检测步骤之前，在去除所述测定对象的状态下，进行与所述第2光检测步骤以及第2光强度数据生成步骤相同的步骤，生成第2测定前光强度数据；以及

第2斯托克斯参数计算步骤，其基于所述第2测定前光强度数据，求出第2斯托克斯参数，该第2斯托克斯参数表示入射至所述测定对象之前的光的偏振状态，

在所述主轴方位计算步骤中，在所述第1或者第2光强度数据的基础上，根据所述第1或者第2斯托克斯参数，求出所述测定对象的主轴方位，

在所述延迟量计算步骤中，在所述测定对象的主轴方位、所述第1光强度数据、以及第2光强度数据的基础上，根据所述第1以及第2斯托克斯参数，求出所述测定对象的延迟量。

2.根据权利要求1所述的双折射测定方法，其特征在于，

所述延迟量计算步骤包含：

第1延迟量候选值确定步骤，其基于根据所述第1斯托克斯参数、所述第1光强度数据、以及所述测定对象的主轴方位得到的第1观测值，确定所述测定对象的多个第1延迟量候选值；

第2延迟量候选值确定步骤，其基于根据所述第2斯托克斯参数、所述第2光强度数据、以及所述测定对象的主轴方位得到的第2观测值，确定所述测定对象的多个第2延迟量候选值；以及

延迟量确定步骤，其从多个所述第1以及第2延迟量候选值中，将值相同或者大致相同的延迟量候选值确定为所述测定对象的延迟量，

将所述第1观测值和所述第1延迟量候选值之间的关系、以及所述第2观测值和所述第2延迟量候选值之间的关系以正弦函数表示，根据所述第1观测值和所述第1延迟量候选值之间的关系而得到的正弦曲线，与根据所述第2观测值和所述第2延迟量候选值而得到的正弦曲线相差规定的相位。

3.根据权利要求2所述的双折射测定方法，其特征在于，

所述第1或者第2观测值大于或等于“-1”而小于或等于“1”，

所述延迟量确定步骤包括下述步骤：

从多个所述第1及第2延迟量候选值中，确定值相同或者大致相同的延迟量候选值；

判定与值相同或者大致相同的延迟量候选值对应的观测值是否落在除了“±1”或者“±1的附近”之外的范围内；以及

将与落在除了“±1”或者“±1的附近”之外的范围内的观测值对应的延迟量候选值，确定为所述测定对象的延迟量。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的双折射测定方法，其特征在于，

在所述透射轴方位变更步骤中，将所述偏振元件的透射轴变更为相对于所述主轴方位与所述第1透射轴方位对称的所述第2透射轴方位。

5.根据权利要求1所述的双折射测定方法，其特征在于，

经过所述偏振元件以及所述相位元件后的光是圆偏振光、线偏振光、或者椭圆偏振光。

6.根据权利要求1所述的双折射测定方法，其特征在于，

所述测定对象是相位差薄膜。

7.一种双折射测定装置，其使用光源、偏振元件、相位元件、透射轴方位以固定的旋转角度进行变化的旋转检偏元件、以及感光器，在所述相位元件和所述旋转检偏元件之间插入测定对象，求出所述测定对象的延迟量，

其特征在于，具有：

透射轴方位变更部，其使所述偏振元件的透射轴在第1透射轴方位和与所述第1透射轴方位不同的第2透射轴方位之间进行变更；

光检测部，其在所述偏振元件的透射轴固定在所述第1透射轴方位或者所述第2透射轴方位的状态下，使来自所述光源的光，经由所述偏振元件、所述相位元件、所述测定对象、以及所述旋转检偏元件，由所述感光器进行检测；

光强度数据生成部，其将所述旋转检偏元件的透射轴方位和该透射轴方位时由所述感光器检测出的光的强度相关联，生成在所述偏振元件的透射轴位于所述第1透射轴方位时的第1光强度数据、以及在所述偏振元件的透射轴位于所述第2透射轴方位时的第2光强度数据，并且，生成去除所述测定对象的状态下的第1测定前光强度数据以及第2测定前光强度数据；

主轴方位计算部，其基于所述第1或者第2光强度数据，求出所述测定对象的主轴方位；

延迟量计算部，其基于所述测定对象的主轴方位、所述第1光强度数据、以及所述第2光强度数据，求出所述测定对象的延迟量，

第1斯托克斯参数计算部，其基于所述第1测定前光强度数据，求出第1斯托克斯参数，该第1斯托克斯参数表示入射至所述测定对象之前的光的偏振状态；以及

第2斯托克斯参数计算部，其基于所述第2测定前光强度数据，求出第2斯托克斯参数，该第2斯托克斯参数表示入射至所述测定对象之前的光的偏振状态，

所述主轴方位计算部，在所述第1或者第2光强度数据的基础上，根据所述第1或者第2斯托克斯参数，求出所述测定对象的主轴方位，

所述延迟量计算部，在所述测定对象的主轴方位、所述第1光强度数据、以及第2光强度数据的基础上，根据所述第1以及第2斯托克斯参数，求出所述测定对象的延迟量。

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