JP2008008698A

JP2008008698A - 光学特性検査装置および検査方法

Info

Publication number: JP2008008698A
Application number: JP2006177604A
Authority: JP
Inventors: Megumi Okamoto; 恵岡本
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2008-01-17

Abstract

【課題】偏光板加工された多層複屈折試料における各層が有する複屈折（リタデーション）を、層ごとに精度よく測定することができる光学特性検査装置および検査方法を提供する。
【解決手段】光源１０から照射された直線偏光を第１スプリッタ１１で参照光と信号光とに２分割し、参照光を参照光ミラー２４で反射させて第１スプリッタ１１に再入射させると共に、信号光を透明試料２０を通して第１スプリッタ１１に再入射させ、参照光と信号光との干渉光を第１スプリッタ１１から出射させる。干渉光は、２つの偏光状態を選択適用できる偏光手段１４を通して第１光強度検出手段１５で受光され、スペクトル分布強度が検出される。そして、偏光手段１４の透過軸方位を垂直方向および水平方向にセットして検出された２つのスペクトル分布強度から、第１演算手段１６により透明試料２０のリタデーションＲｅを算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、それぞれが光学軸を有する複数の透明材料を積層して構成された透明試料の光学特性を検出する光学特性検査装置および検査方法に関し、特に液晶パネルに積層された状態で存在する透明試料のリタデーションを精度よく検出する光学特性検査装置および検査方法に関する。

様々な表示装置に用いられる液晶パネルの表示性能(例えば、視野角)を改善するために、従来より積層された光学フィルム部品が用いられている。例えば、液晶パネル業界では、部材メーカーが位相差フィルムや光学補償フィルムのように、一定の方向に光学軸を持つ光学フィルムを偏光板と貼り合わせた光学部材を生産し、液晶パネルセットメーカーに販売している。このような光学部材を製造する際には、光学フィルムの光学軸と偏光板の透過軸とが特定の角度となるように位置決めして貼り合わせている。しかし、現実には製造工程上の問題から、光学フィルムの光学軸と偏光板の透過軸の角度がフィルム面内各位置で微小なゆらぎを持つことがある。

また、このような光学部材を液晶パネルに積層すると、光学部材に応力がかかる場合があり、該応力負荷に起因して発生する輝度ムラが表示装置の表示性能に大きな影響を及ぼし、問題となっていた。

光学部材を用いた表示装置の表示性能は、このような光学特性によって大きく左右されるので、液晶表示装置の表示性能を維持するため、液晶パネルに積層された状態で存在する光学部材のリタデーションを精密に計測する必要がある。

従来法としては、レーザ透過信号のフィッティングにより、各層のパラメータを測定する手法が知られている。また、本発明と関連のある従来技術としては、積層された光学フィルムのような光学材料におけるリタデーションや光学主軸方位を定量的に測定する方法（例えば、特許文献１参照）や、低コヒーレンス光源、第１および第２の反射鏡、集光手段、および受信器を備え、フィルムの上下表面で反射された光信号間の時間遅延からフィルムの厚さ、屈折率を求めるようにした測定装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−１５２３９９号公報特開平９−１１９８１３号公報

しかし、レーザ透過信号のフィッティングにより、各層のパラメータを測定する手法によると、既知の固定パラメータが多数あり、測定精度が固定パラメータに依存する問題があった。

また、特許文献１に開示された従来技術で検出できる光学特性は、積層された複合試料を１回だけ透過した光を検出することにより算出される軸ずれ量である。これは、偏光板の偏光度が悪い場合(換言すれば、比較的大きな軸ずれ量の場合)に限られている。従って、リタデーションを高感度で測定することは困難であった。積層された複合試料に発生した軸ずれ量が僅かであったとしても、液晶パネルの表示性能に悪影響を及ぼすので微小な軸ずれ量を検出可能にすることが望まれていた。

特許文献２に開示された測定装置によると、フィルムの厚さおよび屈折率を求めることはできるが、屈折率の異方性の定量値である複屈折、即ちリタデーションを測定することはできない。

また、光学部材を液晶パネルに積層すると、光学部材に作用する応力負荷に起因して輝度ムラが発生することが知られている。このような応力負荷起因の輝度ムラは、光学部材を液晶パネルに積層したとき初めて現れる場合が少なくなく、光学部材単体での検出では不十分である。従って、液晶パネルに積層した状態で存在する各層の光学特性測定が必要となるが、特許文献１および特許文献２などの従来技術では測定することができなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、偏光板加工された多層複屈折試料における各層が有する複屈折を、層ごとに精度よく測定することができる光学特性検査装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記構成の光学特性検査装置によって達成される。
（１）それぞれが光学軸を有する複数の透明材料を積層して構成された透明試料の光学特性を検出する光学特性検査装置であって、直線偏光を照射する光源と、前記直線偏光を参照光と信号光とに２分割する第１スプリッタと、前記参照光を同一光路に反射する参照光ミラーを有し且つその光路長変更可能の参照アームと、前記信号光を前記透明試料を通しつつ同一光路に反射する信号光アームと、前記参照アームと信号光アームとを通って前記スプリッタに再入射し同一方向に出射した干渉光に対して２つの偏光状態を選択適用できる偏光手段と、前記偏光手段を透過した干渉光を受光してスペクトル分布強度を検出する第１光強度検出手段と、前記第１光強度検出手段の検出した２つのスペクトル分布強度から前記透明試料のリタデーションを算出する第１演算手段とを設けたことを特徴とする光学特性検査装置。

このような構成の光学特性検査装置によると、光源から照射された直線偏光を第１スプリッタで参照光と信号光とに２分割し、参照光を参照光ミラーで反射させて第１スプリッタに再入射させると共に、信号光を透明試料を通して第１スプリッタに再入射させて、参照光と信号光との干渉光として第１スプリッタから出射させる。干渉光は、２つの偏光状態を選択適用できる偏光手段を通して第１光強度検出手段で受光され、スペクトル分布強度が検出される。そして、偏光手段の透過軸方位を垂直および水平にセットして検出された２つのスペクトル分布強度から、第１演算手段により透明試料のリタデーションを算出するようにしたので、それぞれの偏光状態に対して干渉光の全光量を使用でき、液晶パネルに積層した状態で存在する透明試料のリタデーションを精度よく測定することができる。

（２）前記スプリッタと前記光強度検出手段との間で光路へ出入移動可能の第２スプリッタを設けて、該第２スプリッタで分割された一方の光の強度を第２光強度検出手段で検出して最大強度付近に前記参照アームでの光路長を設定する第２演算手段を備えることを特徴とする上記（１）に記載の光学特性検査装置。

このような構成の光学特性検査装置によると、第１スプリッタと第１光強度検出手段との間に第２スプリッタを設け、第２スプリッタで分割された一方の光の強度を第２光強度検出手段で検出し、第２演算手段により参照アームの光路長が入射光波長の整数倍となって光の強度が最大強度付近となる位置を正確にかつ素早く検出できるようにしたので、透明試料のリタデーションを高感度で検出することが可能となる。

また、参照光ミラーを移動可能、且つ第２演算手段により参照アームの光路長を光の強度が最大強度付近となるように設定できるようにしたので、複数の透明材料が積層されて構成された透明試料の各層の光強度最大位置を安定的に検出することができ、これにより各層のリタデーションを求めることができる。更に、入射光の波長の変化への対応力がある。

（３）前記偏光手段の消光比が１０^−５以下であることを特徴とする上記（１）または（２）のいずれかに記載の光学特性検査装置。
このような構成の光学特性検査装置によると、偏光手段の消光比が、１０^−５以下とし、比としては大きくなるので、透明試料のリタデーションを精度よく検出することができる。

（４）前記偏光手段がグラントムソンプリズム偏光子であることを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の光学特性検査装置。
このような構成の光学特性検査装置によると、偏光手段が、グラントムソンプリズム偏光子であるので、消光比を極めて大きくすることができ、透明試料のリタデーションを精度よく検出することができる。

（５）前記偏光手段がブリュースター角による偏光を設定するミラーであることを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の光学特性検査装置。
このような構成の光学特性検査装置によると、消光比を大きくすることができ、透明試料のリタデーションを精度よく検出することができる。

（６）前記透明試料が、偏光板と位相差フィルムとを積層して構成した材料であることを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれか１項に記載の光学特性検査装置。
このような構成の光学特性検査装置によると、偏光板と位相差フィルムとを積層して構成された透明試料のリタデーションを精度よく検出することができる。

また、本発明の上記目的は、下記の光学特性検査方法によって達成される。
（７）それぞれが光学軸を有する複数の透明材料を積層して構成された透明試料の光学特性を上記（１）に記載の光学特性検査装置により検出する光学特性検査方法であって、前記干渉光が前記偏光手段の一方の偏光状態の時に透過した光を前記第１光強度検出手段でスペクトル分布強度を検出し、前記偏光手段を他方の偏光状態として同一条件干渉光を透過させて前記第１光強度検出手段でスペクトル分布強度を検出し、前記二つの偏光状態から前記第１光強度検出手段でのスペクトル分布強度検出値を第１演算手段により演算して透明試料のリタデーションを算出することを特徴とする光学特性検査方法。

上記光学特性検査方法によれば、一方の偏光状態（例えば、透過軸方位が垂直方向）、および他方の偏光状態（例えば、透過軸方位が水平方向）とした偏光手段を透過させた干渉光を第１光強度検出手段でスペクトル分布強度を検出し、得られた２つのスペクトル分布強度検出値から第１演算手段により透明試料のリタデーションを演算により算出するようにしたので、それぞれの偏光状態に対して干渉光の全光量を使用でき、液晶パネルに積層した状態で存在する透明試料のリタデーションを精度よく測定することができる。

本発明によれば、偏光板加工された多層複屈折試料における各層が有する複屈折（リタデーション）を、層ごとに精度よく測定することができる光学特性検査装置および検査方法を提供できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。図１は、本発明の光学特性検査装置の主要な構成要素を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の光学特性検査装置１００は、光源１０と、第１スプリッタ１１と、参照アーム１２と、信号光アーム１３と、偏光手段１４と、第１光強度検出手段１５と、第１演算手段１６と、第２スプリッタ１７と、第２光強度検出手段１８と、第２演算手段１９と、透明試料である測定サンプル２０とを備える。

検査対象である測定サンプル（透明試料）２０としては、偏光板（ＳＰ）２１と位相差フィルム（ＳＳ）２２とを積層して貼り合わせた透明な光学フィルムを想定している。透明試料２０は、液晶パネル２３に積層されている。

光源１０は、直線偏光を出射するためのものであり、例えば、近赤外スーパールミネッセントダイオード１０Ａと、グラントムソンプリズム直線偏光子１０Ｂとから構成されている。近赤外スーパールミネッセントダイオード１０Ａからの出射光は、発振中心波長は１３１０ｎｍ、スペクトル幅は半値全幅４７ｎｍ、最大出力は１４０μWである。また、グラントムソンプリズム直線偏光子１０Ｂの消光比は、１０^−５以下であり、近赤外スーパールミネッセントダイオード１０Ａからの出射光を地面に対して水平方向の直線偏光へ変換して出射する。

第１スプリッタ１１は、光源１０から出射された直線偏光を参照光と信号光とに２分割するビームスプリッターであり、参照光を参照アーム１２（矢印Ａ１方向）に、また信号光を信号光アーム１３（矢印Ａ２方向）に導く。更に、参照アーム１２からの反射光（矢印Ａ３方向）、および信号光アーム１３からの反射光（矢印Ａ４方向）が再入射され、それらの干渉光を第１光強度検出手段１５に向けて出力する（矢印Ａ５方向）ようになっている。

参照アーム１２は、第１スプリッタ１１からの参照光を同一光路に反射する参照光ミラー２４と、第１λ／４板２７とを備える。参照光ミラー２４には、マイクロメータ２５とピエゾ素子２６が配設されており、マイクロメータ２５により参照光ミラー２４を光路の向きと平行方向（矢印Ａ１およびＡ３方向）で干渉範囲付近に粗調整すると共に、ピエゾ素子２６により参照光ミラー２４を微調整する。即ち、後述する第２演算手段１９ではロックインアンプを使用し、このロックインアンプでは直流バイアス電圧Ｖと微小な振幅を持つ交流信号ｄＶの和電圧をピエゾ素子２６へ印可する構成で、ピエゾ素子２６が干渉範囲で周期的に伸縮を繰り返す。直流バイアス電圧Ｖとピエゾ素子の伸縮位置は比例し、電圧Ｖの調整で干渉によって生ずる最大光度中心位置におおよそ合わされる。そして、微小な振幅を持つ交流信号ｄＶにより最大光度中心位置近辺で微小に位置が変化する状態となる。
なお、ロックインアンプの一般的構成についてはhttp://www.h2.dion.ne.jp/~imako/exp/lockin.html, http://www.nfcorp.co.jp/keisoku/noise/li_genri1.htmlを参照のこと。

第１λ／４板２７は、光学軸が地面水平方向に対して反時計回り２２．５°方位にセットされている。第１スプリッタ１１から参照アーム１２に出射された参照光（矢印Ａ１方向）が第１λ／４板２７を通過し、更に参照光ミラー２４で反射されて矢印Ａ３方向通過して往復２回、第１λ／４板２７を通過すると、地面に対して水平方向の直線偏光は、地面水平方向に対し反時計回り４５°方位直線偏光に変換される。

信号光アーム１３は、第２λ／４板２８と、レンズ２９とを備えており、矢印Ａ２方向に出射された信号光は、レンズ２９を通過し、測定サンプル２０を通しつつ矢印Ａ４方向に同一光路に反射される。第２λ／４板２８は、その光学軸が地面水平方向に対して反時計回り４５°方位にセットされている。これにより測定サンプル２０へは右回り円偏光が入射される。

偏光手段１４は、消光比１０^−５以下のグラントムソンプリズム直線偏光子であり、地面に対して垂直な面内で回転できるようになっている。これにより、参照アーム１２と信号光アーム１３とを通って第１スプリッタ１１に再入射し、矢印Ａ５、Ａ６方向に出射する参照光と信号光との干渉光に対して２つの偏光状態を選択適用できる。具体的には、偏光手段１４の透過軸方位が、地面に対して垂直方向および水平方向にセットされる。尚、偏光手段１４は、ブリュースター角による偏光を設定するミラーとすることもできる。この場合、第１光強度検出手段１５では、偏光手段１４を透過した干渉光ではなく、該ミラーからの反射光が受光される。

第１光強度検出手段１５はスペクトロメータであり、偏光手段１４を透過した干渉光を受光してスペクトル分布強度を検出する。第１演算手段１６は、第１光強度検出手段１５の検出した２つのスペクトル分布強度（偏光手段１４の透過軸方位が、地面に対して垂直方向および水平方向のスペクトル分布強度）から測定サンプル２０の光学特性、具体的にはリタデーション（Ｒｅ）を算出する。算出方法については、後述する。

光第２スプリッタ１７は、第１スプリッタ１１からの干渉光の光路に出入可能に配置され、この干渉光を２分割し、一方の光を偏光手段１４(矢印Ａ６方向)に出射すると共に、他方の光を第２光強度検出手段１８（矢印Ａ７方向）に出射する。

第２光強度検出手段１８は、第２スプリッタ１７で分割された一方の光の強度を検出し、第２演算手段１９は、第２光強度検出手段１８で検出された光の強度が最大強度となるように参照アーム１２の光路長、具体的には、参照ミラー２４の位置を押し戻すようなフィードバックをかける。これにより、最大光度位置に参照ミラーを安定化できる。具体的には、光強度検出手段１８により光強度電流信号が電圧変換され、この信号電圧が第２演算手段１９（ロックインアンプ）に入力すると、第２演算手段１９で創出された交流信号ｄＶと同期する信号ｄＶ’が抽出される。抽出された信号ｄＶ’は信号ｄＶによって起こされた光強度電流信号の微小信号電流ｄＩと比例する。つまり、ロックインアンプ出力信号はｄＩ/ｄＶとなり、光検出手段１８より検出された光強度電流信号の微分値となる。この微分信号は最大光度位置で信号の正負が入れ替わり、この信号を増幅しさらにピエゾへ印可すると最大光度位置範囲に参照ミラー位置を押し戻すようなフィードバックをかけることが出来る。このような作用により、最大光度位置に参照ミラーを安定化できる。

次に、測定サンプル（透明試料）２０に関する光学特性（リタデーション（Ｒｅ））を算出するための具体的光学特性検出方法について説明する。

光源１０から出射された直線偏光は、第１スプリッタ１１で参照光と信号光とに２分割されて参照アーム１２（矢印Ａ１方向）および信号光アーム１３（矢印Ａ２方向）に導かれる。参照光および信号光は、それぞれ参照光ミラー２４および測定サンプル２０で反射されて第１スプリッタ１１に再入射し、それらの干渉光が矢印Ａ５方向に出射される。

干渉光は、第２スプリッタ１７で２分割され、一方の光（矢印Ａ７方向）が第２光強度検出手段１８で検出される。第２演算手段１９は、前述のように、第２光強度検出手段１８で検出された光の強度が最大強度となる付近に、参照アーム１２の光路長、即ち、参照光ミラー２４の位置を設定するように参照光ミラー２４にフィードバックする。

つまり、第２演算手段１９の演算結果に従ってマイクロメータ２５によって参照光ミラー２４を光路と平行方向(矢印Ａ１およびＡ３方向)に移動させ、第２光強度検出手段１８により検出される光の強度が最大強度となる付近でマイクロメータ２５による参照光ミラー２４の位置調整を固定する。
このとき、ピエゾ素子２６が振動することで、参照アーム１２の光路長は細かく変動し、光強度が最大となる位置で周期的に光強度が検出され、最大値が正確に把握される。

次いで、透過軸方位を地面に対し垂直方向にセットした偏光手段１４に干渉光を透過させ（矢印Ａ６方向）、干渉光の透過全光量に対する光のスペクトル分布強度を第１光強度検出手段１５で検出する。
このときのスペクトル分布強度検出値である検出信号Ｉνは（式１）となる。

ここでＲｓはサンプルからの反射光率、δはフイルム面から反射位置までのリタデーション、ｋは波数、Δｌは参照アームと信号光アーム間の行路差、Ａ_０ ^２（ｋ）は光源のスペクトル分布強度で、ガウス関数型である。

このスペクトル分布強度検出値を第１演算手段１６で波数ｋに対してフーリエ変換すると√（Ｒｓ）・ｃｏｓ（δ）を算出できる。

次に、透過軸方位を地面に対し水平方向にセットした偏光手段１４に干渉光を透過させ（矢印Ａ６方向）、干渉光の全透過光量に対する光のスペクトル分布強度を第１光強度検出手段１５で検出する。
このときのスペクトル分布強度検出値である検出信号Ｉνは（式２）となる。

このスペクトル分布強度検出値を第１演算手段１６で波数kに対してフーリエ変換すると√（Ｒｓ）・ｓｉｎ（δ）を算出できる。また、√（Ｒｓ）・ｓｉｎ（δ）を√（Ｒｓ）・ｃｏｓ（δ）で割り算するとｔａｎ（δ）が求まり、測定サンプル２０のリタデーション（Ｒｅ）を決定することができる。

マイクロメータ２５により上記よりも層の深い位置からの反射信号ピーク位置を第２光強度検出手段１８および第２演算手段１９を用いて探索し、参照光ミラー２４をその位置で固定する。そして、上記と同様の要領でリタデーションδ’を求め、δ’−δとすれば各層のリタデーション（Ｒｅ）を求めることができる。

上記のように、本実施形態の光学特性検査装置１００によれば、偏光板加工された多層複屈折試料（透明試料）２０における各層が有する複屈折（リタデーション（Ｒｅ））を、層ごとに精度よく測定することができる。

本発明の光学特性検査装置の主要な構成要素を示すブロック図である。

符号の説明

１０光源
１１第１スプリッタ
１２参照アーム
１３信号光アーム
１４偏光手段（グラントムソンプリズム偏光子）
１５第１光強度検出手段
１６第１演算手段
１７第２スプリッタ
１８第２光強度検出手段
１９第２演算手段
２０測定サンプル（透明試料）
２１偏光板（透明材料）
２２位相差フィルム（透明材料）
２４参照光ミラー
１００光学特性検査装置
δ（Ｒｅ）リタデーション

Claims

それぞれが光学軸を有する複数の透明材料を積層して構成された透明試料の光学特性を検出する光学特性検査装置であって、
直線偏光を照射する光源と、
前記直線偏光を参照光と信号光とに２分割する第１スプリッタと、
前記参照光を同一光路に反射する参照光ミラーを有し且つその光路長変更可能の参照アームと、
前記信号光を前記透明試料を通しつつ同一光路に反射する信号光アームと、
前記参照アームと信号光アームとを通って前記スプリッタに再入射し同一方向に出射した干渉光に対して２つの偏光状態を選択適用できる偏光手段と、
前記偏光手段を透過した干渉光を受光してスペクトル分布強度を検出する第１光強度検出手段と、
前記第１光強度検出手段の検出した２つの偏光状態に対応する２つのスペクトル分布強度から前記透明試料のリタデーションを算出する第１演算手段とを設けたことを特徴とする光学特性検査装置。
前記スプリッタと前記光強度検出手段との間で光路へ出入移動可能の第２スプリッタを設けて、該第２スプリッタで分割された一方の光の強度を第２光強度検出手段で検出して最大強度付近に前記参照アームでの光路長を設定する第２演算手段を備えることを特徴とする請求項１記載の光学特性検査装置。
前記偏光手段の消光比が１０^−５以下であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の光学特性検査装置。
前記偏光手段がグラントムソンプリズム偏光子であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学特性検査装置。
前記偏光手段がブリュースター角による偏光を設定するミラーであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学特性検査装置。
前記透明試料が、偏光板と位相差フィルムとを積層して構成した材料であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の光学特性検査装置。
それぞれが光学軸を有する複数の透明材料を積層して構成された透明試料の光学特性を請求項１に記載の光学特性検査装置により検出する光学特性検査方法であって、
前記干渉光が前記偏光手段の一方の偏光状態の時に透過した光を前記第１光強度検出手段でスペクトル分布強度を検出し、
前記偏光手段を他方の偏光状態として同一条件干渉光を透過させて前記第１光強度検出手段でスペクトル分布強度を検出し、
前記二つの偏光状態から前記第１光強度検出手段でのスペクトル分布強度検出値を第１演算手段により演算して透明試料のリタデーションを算出することを特徴とする光学特性検査方法。