JP2007286011A - 光学特性計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料により変調された光のストークスパラメータ、および試料の楕円率、方位角を精度よくかつ効率よく測定する光学特性計測装置および方法を提供する。
【解決手段】測定される試料により変調された光の光路上に、試料側から１／４波長板、１／２波長板、１／４波長板の順で構成された位相シフタ、検光子、および光検出器を有する。１／２波長板、および検光子は、回転可能なように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料の光学特性を解析する光学特性計測装置および方法に関する。

近年、液晶ディスプレイは薄型、軽量、低電力であることから広範囲な分野に用途が拡大し、その品質に関する要望も拡大している。そのため、液晶ディスプレイを構成する液晶セル、偏光板、位相差フィルムや、視野角補償フィルム等も用途に応じた各種方式が提案され、それぞれの方式内においても常に改善の努力が払われている。そのため、これら光学部品の研究開発や工程管理において諸特性の測定と評価は欠かせない事項となっている。このため必要な特性をより精密かつ効率的に測定するための測定装置及び測定方法の研究開発も盛んに行われている。

特に光学的特性では、光学部品単体の屈折率異方性、リタデーション（複屈折位相差）、ねじれ角、プレチルト角等が、また複数の素材が取り組み合わされた光学部品では、光学部品を通った楕円偏光のストークスパラメータ、楕円率、方位角が重視される。さらにそれらの特性の波長依存性、温度依存性、電圧印加時の挙動等も重視される。

従来、これら光学部品より出射した楕円偏光の偏光測定方法としては、回転検光子型エリプソメータを用いた方法（非特許文献１）や、回転補償子法型エリプソメータを用いた方法（非特許文献２）、光弾性変調器（ＰＥＭ）有するエリプソメータを用いた方法（非特許文献３）、２つの光弾性変調器(ＰＥＭ)を用いた複屈折計測方法（非特許文献４）などが挙げられる。
D.E.Aspnes and A.A.Studna : "High presision scanning ellipsometer", Appl. Opt., 14, 220-228(1975). P.S.Huge and F.Dill : "A rotating-compensator Fourier ellipsometer", Opt. Commun, 14, 431-437(1975). O.Acher and E.Bigan, B.Drevillon :"Improvements of phase-modulated ellipsometry", Rev. Sci. Instrum., 60, 65-77(1989). B.Wang: "Linear birefringence measurement instrument using two photoelastic modulators", Opt. Eng., 41, 981-987(2002).

しかしながら上記の従来技術では、可視光全波長領域でのストークスパラメータや楕円率、方位角を測定するのに測定効率が悪く、精度も十分なものではなかった。

すなわち、回転検光子型エリプソメータを用いた方法では、解析の結果がｃｏｓ^-1やｓｉｎ^-1となるため、測定のダイナミックレンジに制限があり、測定精度が悪くなる問題があった。

また、回転補償子型エリプソメータでは、その補償子を入射光の波長に合わせて変える必要があり、測定効率が優れなかった。

また、光弾性変調器を用いたエリプソメータも、入射光の波長により光弾性変調器に印加する電圧を変える必要があり、測定効率に優れなかった。

本発明は、上記の点を鑑みてなされたもので、試料により変調された光のストークスパラメータ、および試料の楕円率、方位角を精度よくかつ効率よく測定する光学特性計測装置および方法を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するために、請求項１記載の光学特性計測装置は、前記測定対象により変調された所与の帯域成分を含む光を、少なくとも２枚の１／４波長板と１／２波長板とで構成される位相シフタ、および偏光子を介して受光分光手段に入射させる光学系と、前記受光分光手段で検出される光強度情報を取得する光強度情報取得手段と、前記光強度情報取得手段で取得した光強度情報を解析処理し、前記測定対象により変調された光のストークスパラメータ、前記測定対象の楕円率、方位角の少なくとも１つを算出する光学特性要素算出処理を行う演算処理手段と、を含み、前記位相シフタは、前記少なくとも２枚の１／４波長板の間に前記１／２波長板が挟持されてなり、前記１／２波長板および前記偏光子は回転するよう構成されてなり、前記光強度情報取得手段は、前記１／２波長板および前記偏光子の角度が異なった前記光学系で得られる複数の光強度情報を取得するよう構成されていることを特徴とするものからなる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学特性計測装置において、前記１／２波長板の回転角をθ₁、前記偏光子の回転角をθ₂とすると、
θ₂＝ｎ×θ₁ (ｎ：２以上の整数）
を満足することを特徴とするものからなる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の光学特性計測装置において、前記光学系はさらに光源と第２の偏光子とを有し、前記光源により出射した光が、前記第２の偏光子を介して前記測定対象に入射されることを特徴とするものからなる。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の光学特性計測装置において、前記光源は任意の波長の光を出射し、前記光学特性要素算出処理は、前記測定対象の楕円率および方位角を波長毎に算出して、前記楕円率および方位角の波長依存性をそれぞれ算出することを特徴とするものからなる。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の光学特性計測装置において、前記光学系はさらに光源と第２の偏光子と第２の位相シフタとを有し、前記光源により出射した光が、前記第２の偏光子および前記第２の位相シフタを介して前記測定対象に入射され、前記第２の位相シフタは、前記測定対象の前に載置され、少なくとも２枚の１／４波長板の間に前記１／２波長板が挟持されてなり、前記第２の位相シフタ内の１／２波長板および前記第２の偏光子は回転するよう構成されていることを特徴とするものからなる。

請求項６記載の光学特性計測方法は、測定対象の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、前記測定対象により変調された所与の帯域成分を含む光を、少なくとも２枚の１／４波長板と１／２波長板とで構成される位相シフタ、および偏光子を介して受光分光手段に入射させるステップと、前記受光分光手段で検出される光強度情報を取得する光強度情報取得ステップと、前記取得した光強度情報を解析処理し、ストークスパラメータ、前記測定対象の楕円率、方位角の少なくとも１つを算出する光学特性要素算出処理を行う演算処理ステップと、を含み、前記位相シフタは、前記少なくとも２枚の１／４波長板の間に前記１／２波長板が挟持されてなり、前記１／２波長板および前記偏光子は回転するよう構成されてなり、前記光強度情報取得ステップは、前記１／２波長板および前記偏光子の角度が異なる前記光学系で得られる複数の光強度情報を取得することを特徴とする方法からなる。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の光学特性計測方法において、光源により出射した光が、第２の偏光子を介して前記測定対象に入射されるステップをさらに有することを特徴とする方法からなる。

請求項８記載の発明は、請求項７記載の光学特性計測方法において、前記光源により出射した光が、前記第２の偏光子および第２の位相シフタを介して前記測定対象に入射されるステップをさらに有し、前記第２の位相シフタは、前記測定対象の前に載置され、少なくとも２枚の１／４波長板の間に前記１／２波長板が挟持されてなり、前記第２の位相シフタ内の１／２波長板および前記第２の偏光子は回転するよう構成されることを特徴とする方法からなる。

本願請求項１記載の発明によれば、少なくとも２枚の１／４波長板とその間に挟持された１／２波長板とで構成された位相シフタ、および偏光子を用い、１／２波長板および偏光子は回転するよう構成されていることによって、ストークスパラメータ、測定対象の楕円率および方位角を同時に精度良く測定することができる。

請求項２記載の発明によれば、前記偏光子の回転角が前記１／２波長板の回転角の２以上の整数倍であるので、演算処理における周波数の分離が容易になり、演算速度が速くなる。

請求項３記載の発明によれば、さらに光源と第２の偏光子を有するので、光源をもたない試料についても同様に測定することができる。

請求項４記載の発明によれば、任意の波長の光に対し前記測定対象の楕円率と方位角を波長毎に算出するので、可視光全波長領域で楕円率と方位角の測定ができ、測定対象の光学特性における波長依存性を算出することができる。また、楕円率の波長依存性を算出することによって、例えば測定試料が反射型カラー液晶セルの場合に、コントラスト、色調、視覚依存性等を評価することができる。

請求項５記載の発明によれば、さらに光源と第２の偏光子と第２の位相シフタを有し、第２の検光子と第２の位相シフタ内の１／２波長板が回転するので、前記測定対象の光学特性が算出しやすいような任意の偏光状態を作成して測定対象に入射させることができる。

請求項６記載の方法によれば、ストークスパラメータ、測定対象の楕円率および方位角を同時に精度良く測定することができる。

請求項７記載の方法によれば、光源をもたない試料についても同様に測定することができる。

請求項８記載の方法によれば、前記測定対象の光学特性が算出しやすいような任意の偏光状態を作成して測定対象に入射させることができる。

以下に、本発明について、望ましい実施の形態とともに詳細に説明する。
本発明の光学特性計測装置は、測定される試料により変調された光の光路上に、試料側から１／４波長板、１／２波長板、１／４波長板の順で構成された位相シフタ、検光子、光検出器（受光分光手段、光強度情報取得手段）、および演算装置（演算処理手段）を有する。試料は、その測定面が位相シフタと対向するように設置する。

使用する１／４波長板は、市販の位相差フィルムからなる位相差板を用いてもよい。波長分散性を良好にする観点から、複数枚の位相差フィルムからなる波長板を組み合わせてもよい。波長分散性および光の損失の観点から、１／４波長のフレネルロムを使用することがより好ましい。

使用する検光子（偏光子）は、市販の、ヨウ素を含浸させたポリビニルアルコールからなる偏光板でもよい。また、測定精度を上げるためには、グラントムソンプリズムを用いた方がより好ましい。グラントムソンプリズムは、無機結晶で構成された偏光板の一つである。

本発明においては、試料が光源を持たない場合は、光源と偏光子（第２の偏光子）を備える。光源から出射された光ビームは、偏光子により偏光ビームに変調され、試料に偏光ビームを入射させる。入射する偏光の波長は特に限定されず、測定上の要求に応じて白色偏光または単一波長の偏光ビームを選択すればよい。

光源は、測定上に必要な偏光ビームの種類に応じて、白色または単一波長の光ビームを出射するものであることが好ましい。また、単一波長の光ビームは白色光源からの光を波長により選択するフィルタを挿入することによっても出射できる。その場合、測定目的に応じて自動的に一種類以上のフィルタの脱着が行えるようになっていてもよい。

光検出器は、波長分散性が一度に測定可能であることから、分光器を用いることが好ましい。例として、回折格子を備えたマルチチャンネルのダイオード素子等がある。特に光源から出射される可視光域の複数の波長に対して校正された感度を有するものであることが好ましい。ここで可視光域の複数の波長とは、例えば400nm、450nm、500nm、550nm、589nm、600nm、650nm、700nmを含む。

本装置の試料により変調された光は楕円偏光となる。その楕円偏光が入射される位相シフタ内の１／２波長板、および検光子は、演算装置によって回転可能なように構成されている。なお、上記以外に、試料、１／４波長板が回転可能であってもよい。

演算装置は、位相シフタ内の１／２波長板の回転速度ｖ₁に対し、検光子の回転速度ｖ₂が次式を満たすよう相対的に回転させる。
ｖ₂= ｖ₁×ｎ
つまり、ある時間における１／２波長板の回転角θ₁と、検光子の回転角θ₂との関係も次式を満たす。
θ₂=θ₁×ｎ
ここでｎは、数式の展開を簡便化するために２以上の整数とする。特に検光子にグラントムソンプリズムを使用した場合、プリズムを使用した光学素子であるため慣性が大きく、且つ光学調整のために精密なあおり機構に搭載されて回転するため、低速回転することが精度の観点から好ましく、ｎ＝２であることが好ましい。

演算装置は、θが0°以上180°未満の範囲で複数の回転角θ₁を設定する。これを各波長毎に行う。

光検出器は、演算装置がθ₁を複数設定することによって対応する複数の光強度データを取得する。演算装置は、その複数の光強度データについて、波長毎にフーリエ変換処理を行い、得られたフーリエ級数から各波長のストークスパラメータを求める。また、求めたストークスパラメータから楕円率、方位角の少なくとも１つを求める。

そして演算装置は、複数の波長帯について算出した楕円率および方位角の波長依存性を調べる。楕円率および方位角の波長依存性を求めるためには、自然偏光を使用すると、一回のスキャンで測定が完了するため効率の観点から好ましい。

以下に実施例を挙げて、本発明をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
図１に本発明の実施例１に係る光学特性計測装置の光学系を示す。光源１から出射した白色光は偏光子(P)２と試料(X)３とを透過する。試料３を透過した光は楕円偏光となる。このときの偏光状態はストークスパラメータで表され、s _out = ｛s₀，s₁，s₂，s₃｝^T と置くことができる。透過光は方位45°の２枚の１／４波長板(Q)４０１，４０３と、１／４波長板４０１、４０３に狭持された方位θの１／２波長板(H)４０２からなる位相シフタ４に入射する。この位相シフタ４はあらゆる波長で任意の位相変化Ω（θ）を与えることが可能である。位相シフタからの出射光は１／２波長板の回転角θに対して２倍の角度で回転する検光子(A) ５によりさらに変調される。各波長における光強度は光検出器６で検出し、演算装置７により解析される。

光検出器６で得られる光強度I(θ)は、次式数１となる。ここで、ｓ₀ は光強度、ｓ₁ は０°の直線偏光、ｓ₂ は４５°の直線偏光、ｓ₃ は右回り円偏光を示す。θは位相シフタの１／２波長板の回転角および２θが検光子の回転角である。

上記式をフーリエ級数で示すと、次式数２で書き表すことができる。ここでa₄, a₈, b₈は光強度のフーリエ級数である。

得られた光強度のフーリエ級数からストークスパラメータの、s₁，s₂ ，s₃成分は、次式数３となる。

それぞれのストークスパラメータは、楕円を示す方位角ψと楕円率εを用いて、次式数４で表すことができる。

以上の式より、方位角ψと楕円率εは、次式数５となる。

以上の計算を光検出器で得られるスペクトル全波長で、複数の角度に対する複数の光強度について行うことで、可視光領域におけるストークスパラメータ、楕円率および方位角を一度の測定で得ることができ、楕円率及び方位角の波長依存性も調べることが出来る。

図２は、上記実施例１における測定のフローチャートである。試料３を設置し（ステップS1）、１／２波長板４０２と検光子５を、検光子の角度が１／２波長板の２倍になるよう回転させて設定する（ステップS2）。光源１から光を出射させ（ステップS3）、偏光子２、試料３、位相シフタ４、検光子５を透過した光の光強度を光検出器６が取得する（ステップS4）。これをＮ個の光強度データを取得するまで（ステップS5）行う。光強度データをＮ個取得したら、演算装置７は波長毎にフーリエ変換処理を行い（ステップS6）、ストークスパラメータの算出を行う（ステップS7）。演算装置７は、得られたストークスパラメータから楕円率εと方位角ψを算出して（ステップS8）、処理を終了する。

本装置を用いた測定時間は、一試料当たり30秒であり、効率の良いものであった。また、測定精度も十分であった。

（実施例２）
試料のより複雑な材料特性を測定する場合、本発明の光学特性計測装置は、実施例１の構成に加えて、図３に示すように、試料３の前に第２の位相シフタ８を配置した光学系にすることもできる。このとき、偏光子２と第２の位相シフタ８内の１／２波長板８０２は回転可能である。光源１から出射された光は、角度φ１で回転可能な偏光子２と、第２の位相シフタ８とを透過して試料(X)３に入射する。第２の位相シフタ８は、方位45°の２枚の１／４波長板(Q’)８０１，８０３と、１／４波長板８０１、８０３に狭持された方位φ２の１／２波長板(H’)８０２とからなる。

偏光子２と１／２波長板８０２がそれぞれφ１、φ２で回転することにより、任意の偏光状態を作成することが出来る。よって、試料３の持つ光学特性を簡便に算出することができる、任意の偏光状態の光を試料３に入射することが出来る。よって偏光子２と位相シフタ８は、偏光変調器としての役割を果たす。なお、実施例１で説明した位相シフタ４と検光子５は、偏光解析器としての役割を果たす。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

以上説明したように、本実施例によれば、測定される試料により変調された光の光路上に、試料側から１／４波長板、１／２波長板、１／４波長板の順で構成された位相シフタ、検光子を配置し、１／２波長板と検光子とを回転させることで、ストークスパラメータおよび試料の楕円率、方位角を、可視光全領域で効率よくかつ精度良く算出することができる。特に、暗室を必要とせず、外光が存在する場所においても測定することができる。よって、試料台および／または光学系を移動させることによって、試料の光学特性を広領域にわたって効率よく測定することができる。また、フィルムの製膜中にインラインで測定することが出来、生産性を向上させることができる。

本発明の実施例１に係る光学系の概略構成図である。 実施例１における光学特性の測定手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る光学系の概略構成図である。

符号の説明

１ 光源
２ 偏光子
３ 試料
４ 位相シフタ
４０１，４０３ １／４波長板
４０２ １／２波長板
５ 検光子
６ 光検出器
７ 演算装置
８ 第２の位相シフタ
８０１，８０３ １／４波長板
８０２ １／２波長板

Claims (8)

1. 測定対象の光学特性を計測する光学特性計測装置であって、
   前記測定対象により変調された所与の帯域成分を含む光を、少なくとも２枚の１／４波長板と１／２波長板とで構成される位相シフタ、および偏光子を介して受光分光手段に入射させる光学系と、
   前記受光分光手段で検出される光強度情報を取得する光強度情報取得手段と、
   前記光強度情報取得手段で取得した光強度情報を解析処理し、前記測定対象により変調された光のストークスパラメータ、前記測定対象の楕円率、方位角の少なくとも１つを算出する光学特性要素算出処理を行う演算処理手段と、
   を含み、
   前記位相シフタは、前記少なくとも２枚の１／４波長板の間に前記１／２波長板が挟持されてなり、
   前記１／２波長板および前記偏光子は回転するよう構成されてなり、
   前記光強度情報取得手段は、前記１／２波長板および前記偏光子の角度が異なった前記光学系で得られる複数の光強度情報を取得するよう構成されている、
   ことを特徴とする光学特性計測装置。
2. 前記１／２波長板の回転角をθ₁、前記偏光子の回転角をθ₂とすると、
   θ₂＝ｎ×θ₁ （ｎ：２以上の整数）
   を満足することを特徴とする、請求項１に記載の光学特性計測装置。
3. 前記光学系はさらに光源と第２の偏光子とを有し、
   前記光源により出射した光が、前記第２の偏光子を介して前記測定対象に入射されることを特徴とする、請求項１または２に記載の光学特性計測装置。
4. 前記光源は、任意の波長の光を出射し、前記演算処理手段は、前記測定対象の楕円率および方位角を波長毎に算出して、前記楕円率および方位角の波長依存性をそれぞれ算出することを特徴とする、請求項３に記載の光学特性計測装置。
5. 前記光学系はさらに光源と第２の偏光子と第２の位相シフタとを有し、
   前記光源により出射した光が、前記第２の偏光子および前記第２の位相シフタを介して前記測定対象に入射され、
   前記第２の位相シフタは、前記測定対象の前に載置され、少なくとも２枚の１／４波長板の間に前記１／２波長板が挟持されてなり、
   前記第２の位相シフタ内の１／２波長板および前記第２の偏光子は回転するよう構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の光学特性計測装置。
6. 測定対象の光学特性を計測する光学特性計測方法であって、
   前記測定対象により変調された所与の帯域成分を含む光を、少なくとも２枚の１／４波長板と１／２波長板とで構成される位相シフタ、および偏光子を介して受光分光手段に入射させるステップと、
   前記受光分光手段で検出される光強度情報を取得する光強度情報取得ステップと、
   前記取得した光強度情報を解析処理し、ストークスパラメータ、前記測定対象の楕円率、方位角の少なくとも１つを算出する光学特性要素算出処理を行う演算処理ステップと、 を含み、
   前記位相シフタは、前記少なくとも２枚の１／４波長板の間に前記１／２波長板が挟持されてなり、
   前記１／２波長板および前記偏光子は回転するよう構成されてなり、
   前記光強度情報取得ステップは、前記１／２波長板および前記偏光子の角度が異なる前記光学系で得られる複数の光強度情報を取得する、
   ことを特徴とする光学特性計測方法。
7. 光源により出射した光が、第２の偏光子を介して前記測定対象に入射されるステップをさらに有することを特徴とする、請求項６に記載の光学特性計測方法。
8. 前記光源により出射した光が、前記第２の偏光子および第２の位相シフタを介して前記測定対象に入射されるステップをさらに有し、
   前記第２の位相シフタは、前記測定対象の前に載置され、少なくとも２枚の１／４波長板の間に前記１／２波長板が挟持されてなり、
   前記第２の位相シフタ内の１／２波長板および前記第２の偏光子は回転するよう構成されることを特徴とする、請求項７に記載の光学特性計測方法。

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