JP2005140588A - 光学式表面電位測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対向配置される２枚の平板電極の間に介装されたスペーサ表面の電位分布を安全かつ正確に測定できる光学式表面電位測定装置を提供すること。
【解決手段】対向配置される２枚の平板電極１０１ａ、１０１ｂ間に介装された電気光学素子に向けて上記平板電極と平行にレーザ光Ｌを出射するレーザ出射装置１と、上記レーザ出射装置から出射されたレーザ光Ｌに対して、このレーザ光Ｌが上記電気光学素子に入射する前に、所定の偏光状態を与える偏光ビームスプリッタ４と、上記偏光ビームスプリッタにより所定の偏光状態が与えられた光の強度を、このレーザ光Ｌが上記電気光学素子に入射する前に、基準強度Ｉ１として検出するとともに、上記電気光学素子に入射した後に出射するレーザ光Ｌの強度を測定強度Ｉ２として検出するＣＣＤカメラ６と、上記基準強度Ｉ１と測定強度Ｉ２に基づいて、上記電気光学素子の表面電位を算出するコンピュータ１９とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高い電圧が印加される２枚の平行平板間に介装された絶縁部材の表面電位を測定する光学式表面電位測定装置および測定方法に関する。

高い電圧が印加される２枚の平行平板の間に絶縁材製のスペーサを介装すると、２枚の平行平板がコンデンサとして機能し、スペーサ表面の電位分布が平行平板の並設方向に対して非線形となることがある。

スペーサ表面の電位分布が非線形になると、装置の種類によっては致命的な問題を引き起こすことがあるため、これまでスペーサ表面の電位分布が線型になるように、様々な対策がとられてきた。

ところで、スペーサ表面の電位分布が線型になるよう対策をとった場合、各々の対策によってどの程度の効果が得られたか、すなわち、どの程度線形化されたかを知る必要がある。そのため、従来は、平行平板の間に金属製のプローブを挿入するとともに、このプローブを平行平板の並設方向に沿って走査することで、スペーサ表面の電位分布を直接測定していた（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−２８１６９１号公報

しかしながら、平行平板の間に金属製のプローブを挿入すると、プローブが平行平板に接触してショートする危険性があり、また平行平板の間の距離が小さい場合、プローブの挿入による電位のひずみが影響して、スペーサ表面の実際の電位分布を正確に測定できないことがあった。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、対向配置される２枚の平行平板の間に介装されたスペーサ表面の電位分布を安全かつ正確に測定できる光学式表面電位測定装置および測定方法を提供することにある。

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の光学式表面電位測定装置および測定方法は次のように構成されている。

（１）電気光学素子を介して対向配置される２枚の平行平板間に電圧を印加した際に上記電気光学素子の表面に生じる電位分布を測定する光学式表面電位測定装置において、上記電気光学素子に向けて上記平行平板と平行に光を出射する出射手段と、上記出射手段から出射された光に対して、この光が上記電気光学素子に入射する前に、所定の偏光状態を与える偏光手段と、上記偏光手段により所定の偏光状態が与えられた光の強度を、この光が上記電気光学素子に入射する前に、基準強度として検出するとともに、上記電気光学素子に入射した後に出射する光の強度を測定強度として検出する検出手段と、上記基準強度と測定強度に基づいて、上記電気光学素子の表面電位を算出する算出手段とを具備することを特徴とする。

（２）（１）に記載された光学式表面電位測定装置であって、上記電気光学素子は、上記電気光学素子に入射した光を反射するとともに、その位相を反転させる反射手段を備えていることを特徴とする。

（３）電気光学素子を介して対向配置される２枚の平行平板間に電圧を印加する電圧印加工程と、上記電圧印加工程中、上記平行平板と平行に光を出射して、上記電気光学素子に入射させる出射工程と、上記電気光学素子に入射する光に所定の偏光状態を与える偏光工程と、上記偏光状態が与えられた光の強度を、上記電気光学素子に入射する前に検出する第１の検出工程と、上記電気光学素子に入射した後に出射する光の強度を検出する第２の検出工程と、上記第１の検出工程により検出された光の強度と第２の検出工程により検出された光の強度とに基づいて、上記電気光学素子の表面電位を算出する算出工程とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、対向配置される２枚の平板電極の間に介装されたスペーサ表面の電位分布を安全かつ正確に測定することができる。

以下、図１〜図４を参照しながら本発明の第１の実施の形態について説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る光学式表面電位測定装置の構成図、図２は同実施の形態に係る測定対象１００の構成図である。

図１に示すように、この光学式表面電位測定装置はレーザ出射装置１（出射手段）を有している。このレーザ出射装置１は、ランダム偏光のレーザ光Ｌを出射する。なお、レーザ光Ｌとしては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、Ａｒレーザ、固体レーザなど、どんなレーザであっても良い。

レーザ光Ｌの光軸上には、レーザ出射装置１側から順に、ビームエキスパンダ２、ＮＤフィルタ３、偏光ビームスプリッタ４（偏光手段）、１／８波長板５、および本発明の測定対象１００が配置されている。また、偏光ビームスプリッタ４の側方には、ＣＣＤカメラ６（検出手段）が、その検出面６ａをビームエキスパンダ２に向けて配置されている。

ビームエキスパンダ２は、レーザ出射装置１から出射したレーザ光Ｌの光径を拡大する。ＮＤフィルタ３は、ビームエキスパンダ２から出射したレーザ光Ｌの強度を調整する。偏光ビームスプリッタ４は、入射するレーザ光Ｌのうち、所定方向の偏光軸を有する直線偏光成分のみを通過させ、それ以外の成分を入射方向と垂直な方向に反射する。１／８波長板５は、入射するレーザ光Ｌの位相をπ／８［ｒａｄ］だけ回転させる。

図２に示すように、測定対象１００は、２枚の平板電極１０１ａ、１０１ｂ（平行平板）を有している。これら平板電極１０１ａ、１０１ｂは所定間隔で対向しており、その間には、スペーサとして機能し、電気光学効果と絶縁性を有する、電気光学素子１０２が介装されている。

この電気光学素子１０２は直方体状に形成されており、おおむね平行な２つの面はそれぞれ測定面１０２ａと参照面１０２ｂをなしている。なお、電気光学素子１０２の素材としては、ビスマスガリウムオキサイド（ＢＧＯ）やビスマスシリコンオキサイド（ＢＳＯ）等が使用される。

２枚の平板電極１０１ａ、１０１ｂには、電圧回路１０４が接続されている。この電圧回路１０４は直流電源１０５を有しており、平板電極１０１ａ、１０１ｂ間に所定の直流電圧を印加できるようになっている。

電圧回路１０４により平板電極１０１ａ、１０１ｂ間に直流電圧を印加すると、電気光学素子１０２の絶縁性により、平板電極１０１ａ、１０１ｂがコンデンサとして機能し、測定面１０２ａには非線形の電位分布が形成される。

参照面１０２ｂには、略全面に亘って反射ミラー１０３（反射手段）が形成されている。この反射ミラー１０３は、電気光学素子１０２内を伝播するレーザ光Ｌを反射するとともに、反射したレーザ光Ｌの位相を反転、すなわちπ［ｒａｄ］だけ回転させる。

また、この反射ミラー１０３は、高い電気抵抗を有する材料で薄膜状に形成されており、その両端部はそれぞれ平板電極１０１ａ、１０１ｂと接触している。そのため、電圧回路１０４により平板電極１０１ａ、１０１ｂ間に直流電圧を印加すると、反射ミラー１０３には平板電極１０１ａ、１０２ｂの並設方向に対して線形な電位分布が形成される。

図１に示すように、上記構成の測定対象１００は、矢印Ａ方向に伝播するレーザ光Ｌが電気光学素子１０２の測定面１０２ａに略垂直に入射するように配置される。このように配置すると、レーザ光Ｌと平板電極１０１ａ、１０１ｂは、必然的に平行となる。

次に、上記構成の光学式表面電位測定装置を使用する際の作用について説明する。

本発明の光学式表面電位測定装置を使用する場合、まずＮＤフィルタ３を調整し、レーザ光Ｌの強度をＣＣＤカメラ６のダイナミックレンジにマッチングさせる。

次に、ＣＣＤカメラ６の感度調整を行う。ＣＣＤカメラ６の感度調整を行う場合、まず平板電極１０１ａ、１０１ｂ間に電圧が印加していない状態で、レーザ出射装置１からレーザ光Ｌを出射する。

レーザ出射装置１から出射したレーザ光Ｌは、まず矢印Ａ方向に伝播し、ビームエキスパンダ２、ＮＤフィルタ３、偏光ビームスプリッタ４、１／８波長板５を通過して、電気光学素子１０２に入射する。

電気光学素子１０２に入射したレーザ光Ｌは、電気光学素子１０２内を矢印Ａ方向に伝播し、反射ミラー１０３で反射した後、電気光学素子１０２内を矢印Ｂ方向に伝播し、１／８波長板５を通過した後、偏光ビームスプリッタ４によって矢印Ｃ方向に反射される。

偏光ビームスプリッタ４によって矢印Ｃ方向に反射されたレーザ光Ｌは、ＣＣＤカメラ６によってその強度が検出される。以降、レーザ光Ｌがレーザ出射装置１から出射してＣＣＤカメラ６に検出されるまでに伝播する上記経路を測定経路と称する。

そして、レーザ光Ｌの強度をＣＣＤカメラ６で検出している最中に、１／８波長板５を回転させる。こうすると、レーザ光Ｌの強度は、正弦曲線を描くよう変化する。ここでレーザ光Ｌの強度が最大になるように１／８波長板５の角度を調整すると、図４の曲線で示す動作点が点Ｐで示す位置、すなわち最も線形性が最も高く、微分値が最も大きい位置に設定され、ＣＣＤカメラ６が最も高い感度に設定される。

なお、この感度調整時にＣＣＤカメラ６により検出されたレーザ光Ｌの強度は、コンピュータ１９の記憶装置に基準強度Ｉ１として記憶される。

ＣＣＤカメラ６の感度調整が終了した後、電圧回路１０４によって平板電極１０１ａ、１０１ｂ間に所定の電圧を印加する。平板電極１０１ａ、１０１ｂ間に電圧が印加されると、電気光学素子１０２の測定面１０２ａと参照面１０２ｂには、それぞれ所定の電位分布が発生し、その結果、電気光学素子１０２の測定面１０２ａと参照面１０２ｂの間には電圧が印加される。以降、測定面１０２ａと参照面１０２ｂの間に印加される電圧を印加電圧と称する。

測定面１０２ａに発生する電位分布は、電気光学素子１０２の素材が絶縁性であるため、図３（ａ）に示すように、平板電極１０１ａ、１０１ｂの並設方向、すなわち電気光学素子１０２の厚さ方向Ｘに対して非線形となる。

一方、参照面１０２ｂに発生する電位分布は、反射ミラー１０３が高抵抗の材質で形成されているため、図３（ｂ）に示すように、電気光学素子１０２の厚さ方向Ｘに対して線型となる。そのため、電気光学素子１０２の測定面１０２ａと参照面１０２ｂの間に印加される上記印加電圧は、電気光学素子１０２の場所によって異なっている。

電気光学素子１０２の測定面１０２ａと参照面１０２ｂの間に上記印加電圧が印加されたら、再びレーザ出射装置１からレーザ光Ｌを出射する。レーザ出射装置１から出射したレーザ光Ｌは、上記ＣＣＤカメラ６の感度調整時と同様に、上記測定経路を伝播してＣＣＤカメラ６に入射する。

次に、測定経路に沿って伝播するレーザ光Ｌの偏光状態について、レーザ光Ｌが矢印Ａ方向に伝播する往路と、レーザ光Ｌが矢印Ｂ方向に伝播する復路に分けて詳述する。

まず、往路について説明する。

レーザ出射装置１から出射したレーザ光Ｌは、ビームエキスパンダ２によって電気光学素子１０２の測定面１０２ａと略同じ大きさの光径に拡大された後、ＮＤフィルタ３を介して偏光ビームスプリッタ４に入射する。

この偏光ビームスプリッタ４は、入射したレーザ光Ｌのうち、所定方向の偏光軸を有する直線偏光成分だけを通過させ、残りの成分は全て入射方向に対して略垂直に反射する。そのため、偏光ビームスプリッタ４を通過したレーザ光Ｌは、所定方向の偏光軸を有する直線偏光となっている。

偏光ビームスプリッタ４から出射して直線偏光となったレーザ光Ｌは、１／８波長板５によってπ／８［ｒａｄ］だけ位相を回転された後、電気光学素子１０２の測定面１０２ａに平板電極１０１ａ、１０１ｂと平行に入射する。

電気光学素子１０２の測定面１０２ａに入射したレーザ光Ｌは、反射ミラー１０３に到達するまでの間に、上記印加電圧により電界成分と磁界成分の間に位相差が与えられ、楕円偏光となる。

このとき、上記印加電圧は電気光学素子１０２の場所によって異なっているため、レーザ光Ｌの偏光状態も電気光学素子１０２への入射部位により異なっている。

次に、復路について説明する。

電気光学素子１０２の反射ミラー１０３に到達したレーザ光Ｌは、この反射ミラー１０３で反射してから、電気光学素子１０２の測定面１０２ａから出射するまでの間に、上記印加電圧により電界成分と磁界成分に位相差が与えられる。

このとき、レーザ光Ｌの伝播方向（矢印Ｂ方向）は、往路における伝播方向（矢印Ａ方向）と反対方向となっている。そのため、上記印加電圧は、レーザ光Ｌに対して、往路において与えた作用と反対の作用を与える。しかしながら、復路におけるレーザ光Ｌは、反射ミラー１０３で反射する際、往路におけるレーザ光Ｌに対して位相が反転しているので、レーザ光Ｌの電界成分と磁界成分には、往路と同じ方向に同じ分だけ位相差が与えられる。

電気光学素子１０２から出射したレーザ光Ｌは、１／８波長板５によって位相がπ／８［ｒａｄ］だけ回転する。なお、このレーザ光Ｌは、往路において位相がπ／８［ｒａｄ］だけ回転し、さらに反射ミラー１０３で反射する際に位相がπ／２［ｒａｄ］だけ回転しているため、復路におけるπ／８［ｒａｄ］の回転によって、偏光ビームスプリッタ４から出射した時のレーザ光Ｌの位相と比べて、π／４［ｒａｄ］だけ回転している。

そのため、偏光ビームスプリッタ４に入射したレーザ光Ｌは、この偏光ビームスプリッタ４を通過することなく矢印Ｃ方向に反射し、ＣＣＤカメラ６により撮像される。このとき、ＣＣＤカメラ６に撮像されるレーザ光Ｌの強度は、電気光学素子１０２内を伝播する際に電界成分と磁界成分に位相差を与えられたことによって小さくなっている。

ＣＣＤカメラ６によって撮像されたレーザ光Ｌの強度は、測定強度Ｉ２として電気信号に変換された後、コンピュータ１９（算出手段）に入力される。このコンピュータ１９は、検出されたレーザ光Ｌの測定強度Ｉ２と、記憶装置に記憶された基準強度Ｉ１との差を算出し、この強度差に基づいて印加電圧を算出する。そして、さらに上記印加電圧と参照面１０２ｂに発生する電位分布とに基づいて、電気光学素子１０２の測定面１０２ａに発生している電位分布を算出する。

このように、本発明の光学的表面電位測定装置によれば、電気光学効果を利用して電位分布を測定する技術を、２枚の平板電極１０１ａ、１０１ｂの間にスペーサとして介装された電気光学素子１０２の表面に発生する電位分布の測定に適用している。

そのため、平面型カラーディスプレイ等の開発において必要となる平板電極１００ａ、１００ｂ間のスペーサ表面の電位分布を測定する際に、従来のように平板電極１００ａ、１００ｂ間にプローブを挿入する必要がないから、スペーサ表面の電位分布を安全かつ正確に測定することができる。

また、電気光学素子１０２の参照面１０２ｂに反射ミラー１０３を設けることで、測定面１０２ａから入射したレーザ光Ｌを電気光学素子１０２内で往復させている。

そのため、レーザ光Ｌが電気光学素子１０２を一方向に通過させる場合に比べて、レーザ光Ｌの電界成分と磁界成分に与えられる位相差が２倍となるから、検出感度を高めることができる。

さらに、本実施の形態では、レーザ光Ｌの強度を検出するためにＣＣＤカメラ６を用いているため、レーザ光Ｌの撮像画像をアラインメント（レーザ光Ｌが電気光学素子に入射する際の角度や位置の調整）に利用することができる。

また、レーザ光Ｌが測定面１０２ａや参照面１０２ｂで干渉を起こす場合には、電気光学素子１０２を測定面１０２ａが参照面１０２ｂに対して僅かに傾斜した形状にしてもよい。

次に、図５を参照しながら本発明の第２の実施の形態について説明する。

図５は本発明の第２の実施の形態に係る光学式表面電位測定装置の構成図である。

図５に示すように、本実施の形態では、ＣＣＤカメラ６と偏光ビームスプリッタ４の間にビームスプリッタ２１を配置し、矢印Ｃ方向に伝播するレーザ光Ｌを２つに分離することで、レーザ光ＬをＣＣＤカメラ６だけでなく、ＣＣＤカメラ６の近傍に配置されたフォトディテクタ２２（検出手段）でも検出できるようにしている。

このフォトディテクタ２２は、ＣＣＤカメラ６が二次元信号の検出を行うのに対して、一次元信号の検出しか行えないが、ＣＣＤカメラ６よりもダイナミックレンジを大きく取ることができ、さらに高い周波数の信号を検出することができる。

本実施の形態のように、レーザ光Ｌの検出手段として、フォトディテクタ２２とＣＣＤカメラ６を備えていれば、本装置を様々なタイプの表面電位の検出に適応することができる。

次に、図６を参照しながら本発明の第３の実施の形態について説明する。

図６は本発明の第３の実施の形態に係る光学式表面電位測定装置の構成図である。

図６に示すように、本実施の形態では、ＮＤフィルタ３と偏光ビームスプリッタ４の間に、ＮＤフィルタ３側から順にピンホール板３１とレンズ３２を配置している。

このような構成にすることで、ビームエキスパンダ２から出射したレーザ光Ｌの光径を小さくしてから電気光学素子１０２に照射することができる。そのため、電気光学素子１０２中でレーザ光Ｌが干渉や回折などを起こすのが防止され、より正確な測定が可能となる。

なお、レーザ光Ｌの光径をピンホールで小さくすると、レーザ光Ｌが電気光学素子１０２の測定面１０２ａでスポットにならず、面内分解能が不十分となる場合があるが、本実施の形態では、ピンホール板３１により光径が小さくなったレーザ光Ｌをレンズ３２で集光しているから、十分な面分解能を維持することができる。

また、本実施の形態のように、ピンホールを利用してレーザ光Ｌの光径を小さくする場合、ピンホール板３１を駆動装置３３により移動させれば、スポットを電気光学素子１０２の測定面１０２ａ上で走査することができるから、測定面１０２ａの電位分布を略全面に亘って測定することができる。

なお、スポットを走査する方法としては、上記の他に測定対象１００をレーザ光Ｌに対して垂直に移動させる方法や、光学系全体を移動させる方法等であってもよい。

また、平板電極１０１ａ、１０１ｂと電気光学素子１０２を真空チャンバ中（図示しない）に置き、上記真空チャンバのガラス窓を通してレーザ光Ｌを導入し、真空中の電気光学素子１０２の表面電位を測定することも可能である。すなわち、真空状態である平面型カラーディスプレイの２枚のガラス基板間に配置された電気光学素子１０２の測定を行うことが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る光学式表面電位測定装置の構成図。 同実施の形態に係る測定対象の構成図。 同実施の形態に係る電気光学素子の表面に発生する電位分布を示し、（ａ）は測定面に発生する電位分布のグラフ図、（ｂ）は参照面に発生する電位分布のグラフ図。 同実施の形態に係る１／８波長板を回転させたときにＣＣＤカメラにより撮像されるレーザ光の強度変化を示すグラフ図。 本発明の第２の実施の形態に係る光学式表面電位測定装置の構成図。 本発明の第３の実施の形態に係る光学式表面電位測定装置の構成図。

符号の説明

１…レーザ出射装置（出射装置）、４…偏光ビームスプリッタ（偏光手段）、６…ＣＣＤカメラ（検出手段）、１９…コンピュータ（算出手段）、３１…フォトディテクタ（検出手段）、１０１ａ…平板電極（平行平板）、１０１ｂ…平板電極（平行平板）、１０２…電気光学素子、１０３…反射ミラー（反射手段）、Ｉ１…基準強度、Ｉ２…測定強度。

Claims (3)

1. 電気光学素子を介して対向配置される２枚の平行平板間に電圧を印加した際に上記電気光学素子の表面に生じる電位分布を測定する光学式表面電位測定装置において、
   上記電気光学素子に向けて上記平行平板と平行に光を出射する出射手段と、
   上記出射手段から出射された光に対して、この光が上記電気光学素子に入射する前に、所定の偏光状態を与える偏光手段と、
   上記偏光手段により所定の偏光状態が与えられた光の強度を、この光が上記電気光学素子に入射する前に、基準強度として検出するとともに、上記電気光学素子に入射した後に出射する光の強度を測定強度として検出する検出手段と、
   上記基準強度と測定強度に基づいて、上記電気光学素子の表面電位を算出する算出手段と、
   を具備することを特徴とする光学式表面電位測定装置。
2. 上記電気光学素子は、上記電気光学素子に入射した光を反射するとともに、その位相を反転させる反射手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の光学式表面電位測定装置。
3. 電気光学素子を介して対向配置される２枚の平行平板間に電圧を印加する電圧印加工程と、
   上記電圧印加工程中、上記平行平板と平行に光を出射して、上記電気光学素子に入射させる出射工程と、
   上記電気光学素子に入射する光に所定の偏光状態を与える偏光工程と、
   上記偏光状態が与えられた光の強度を、上記電気光学素子に入射する前に検出する第１の検出工程と、
   上記電気光学素子に入射した後に出射する光の強度を検出する第２の検出工程と、
   上記第１の検出工程により検出された光の強度と第２の検出工程により検出された光の強度とに基づいて、上記電気光学素子の表面電位を算出する算出工程と、
   を具備することを特徴とする光学式表面電位測定方法。

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