JP2009229279A - 複屈折測定装置及び複屈折測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】微細構造を持つフイルムの微細エリアの複屈折を精度よく面測定する。
【解決手段】光源１１からの光は、コリメータ１５、第１の直線偏光板１６、第１のλ／４波長板１７、カラーフィルタ１００、第２のλ／４波長板２１、第２の直線偏光板２２、テレセントリック・レンズ２３を介してＣＣＤカメラ２４で受光される。第１のλ／４波長板１７の所定角の回転とＣＣＤカメラ２４での撮像を第１のλ／４波長板１７が１周するまで繰り返す。ＣＣＤカメラ２４が撮像した画像について、カラーフィルタ１００の各エリア毎に対応したＣＣＤの所定の画素毎に、第１のλ／４波長板１７の回転に同期した輝度変化のデータを得る。この輝度変化のデータから、各エリア１０１内の複屈折を算出する。
【選択図】 図７

Description

本発明は複屈折測定装置及び複屈折測定方法に係り、特にＦＰＤのカラーフィルタのような微細構造を持つフイルムの微細エリアの複屈折を面測定する複屈折測定装置及び複屈折測定方法に関する。

試料の微細エリアのレタデーションを測定する装置として、偏光顕微鏡が知られている。特許文献１には、高倍率な対物レンズを用いた場合であっても、高い消光比の得られる偏光顕微鏡が記載されている。図８（ａ）に、特許文献１に記載の偏光顕微鏡の結像光学系の概略光路図を示す。３１は被測定試料、３２は結像レンズ、３３は結像面である。特許文献１の偏光顕微鏡は、同図のように構成して被測定試料３１を正確に結像させることにより、試料の微細エリアの拡大観察を可能とし、また、図示していない直線偏光板の効果でレタデーションをコントラストとして観察することを可能としている。

また、特許文献２には、光学素子の複屈折を二次元的に定量的に測定する測定方法が記載されている。図８（ｂ）に、特許文献２の図７に記載の縮小光学系の概略光路図を示す。３４は縮小集光レンズである。同図に示すように、結像レンズ系を持たないために結像面で結像せず、試料通過後の光が平行光であることが前提となる。特許文献２に記載の光学系の構成を用いると、レタデーションの測定精度が向上し、レタデーションの面測定も可能となる。
特開２００１−３５６２７６号公報 特開平７−７７４９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の偏光顕微鏡は、結像に使われる光が広範囲の拡散光であり、結像レンズ３２に対する被測定試料の位置によって補足する光の方位が異なるために、レタデーションの測定精度に関しては精度が低いという問題点があった。また、特許文献１の構成のように複屈折測定系の中に結像レンズ３２を配置した場合は、結像レンズ自体の複屈折が試料の複屈折測定のノイズとなるため、正確な複屈折測定ができないという欠点があった。

また、特許文献２に記載の光学系の構成では、前述のように被測定試料３１を透過した光が平行光であることが前提となるが、現実には、被測定試料３１の内部において光の拡散が起こるために、平行光にならない可能性がある。このため、図８（ｃ）に示すように結像面３３に配置された面受光素子の各画素に届く光は、被測定試料３１の微細構造を透過した光と１対１に対応せず、被測定試料３１の広い範囲から透過した光が面受光素子の１つの画素上で重なりあう結果となる。このように、特許文献２の図７に示されている光学系の構成では、精度の高い微細エリアのレタデーションの測定ができないという問題点があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ＦＰＤのカラーフィルタなどの微細構造を持つフイルムの微細エリアの複屈折を精度よく面測定する複屈折測定装置及び複屈折測定方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために請求項１に記載の複屈折測定装置は、被測定試料に光を照射する手段と、前記被測定試料を透過した透過光から平行光成分を抽出し、該平行光成分を用いて結像する結像手段と、前記結像した透過光を面受光素子により画像データに変換する手段と、前記画像データに基づいて前記被測定試料の所定のエリア毎の複屈折を算出する手段と、前記所定のエリア毎の複屈折に基づいて前記被測定試料の複屈折分布を算出する手段とを備えたことを特徴とする。

これにより、微細エリアの複屈折を精度よく面測定することができる。

請求項２に示すように請求項１に記載の複屈折測定装置において、前記結像手段はテレセントリック・レンズであり、前記テレセントリック・レンズの開口数が０．０４５以下であることを特徴とする。

これにより、レンズの分解能を確保しつつ、複屈折測定の精度も確保することができる。

請求項３に示すように請求項１または２に記載の複屈折測定装置において、前記結像手段の直前に所定の方位に固定された偏光素子が配置されていることを特徴とする。

これにより、レンズのレタデーションと２色性の影響を排除することができる。

請求項４に示すように請求項１から３のいずれかに記載の複屈折測定装置において、前記複屈折測定装置の位相差検出方式は、回転位相子法、回転偏光子法、および二重回転位相子法のいずれかであることを特徴とする。

これにより、レンズの前段に所定の方位に固定された偏光素子を配置して測定することができる。

請求項５に示すように請求項１から４のいずれかに記載の複屈折測定装置において、前記被測定試料は、３原色Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれかの色に着色されたエリアが周期的パターンで配列されるカラーフィルタであり、前記所定のエリアは、前記３原色Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれかの色に着色されたエリアであることを特徴とする。

これにより、ＦＰＤのカラーフィルタの微細エリアの複屈折を面測定することができる。

前記目的を達成するために請求項６に記載の複屈折測定方法は、被測定試料に光を照射する工程と、前記被測定試料を透過した透過光から平行光成分を抽出し、該平行光成分を用いて結像する工程と、前記結像した透過光を面受光素子により画像データに変換する工程と、前記画像データに基づいて前記被測定試料の所定のエリア毎の複屈折を算出する工程と、前記所定のエリア毎の複屈折に基づいて前記被測定試料の複屈折分布を算出する工程とを備えたことを特徴とする。

これにより、微細エリアの複屈折を精度よく面測定することができる。

本発明によれば、透過光から平行光成分を抽出して、それを用いて結像するために、ＦＰＤのカラーフィルタなどの微細構造を持つフイルムの微細エリアの複屈折を正確に測定することが可能となる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

まず、本発明に係る複屈折測定装置１０の測定対象となるＦＰＤ用カラーフィルタ１００について説明する。図１（ａ）は、カラーフィルタ１００の微細構造を示す拡大図である。同図に示すように、カラーフィルタ１００は、Ｒのエリア１０１Ｒ、Ｇのエリア１０１Ｇ、Ｂのエリア１０１Ｂの各エリア１０１が交互に配列されて構成されている。また、各エリア１０１の間には、混色防止のブラックマトリクス１０２が形成されている。図１（ｂ）は、各エリア１０１の拡大図である。同図に示すように、各エリア１０１は約０．１ｍｍ×約０．３ｍｍの大きさで構成されている。

複屈折測定装置１０は、このように構成されたカラーフィルタ１００について、各エリア１０１内の微小エリアの複屈折を測定して複屈折の分布を算出することにより、カラーフィルタ１００の評価を行う。なお、複屈折測定装置１０の測定対象は、図１に示すカラーフィルタ１００に限定されるものでなく、例えばシアン、マゼンタ、イエローの補色が含まれていてもよいし、各エリア１０１の形状やサイズが異なっていてもよい。

次に、本発明に係る複屈折測定装置１０に用いるテレセントリック・レンズ２３の分解能と開口数について説明する。

微細構造を持つ試料を正確に測定するためには、微細構造を上回る分解能が必要となる。レンズの分解能は、入射光の波長をλとすると、以下の式で表される。

分解能＝0.61・λ/sinθ …式１
ここで、sinθはレンズの開口数であり、θは図２に示すように、光軸上の一点と入射瞳径の張る角度を表す。

式１に示すように、開口数が大きくなるほどレンズの分解能は高くなる。しかし、開口数が大きくなるほど広い範囲の光を集めてしまうことになるため、複屈折測定に用いると測定精度が低下する。すなわち、レンズの分解能と複屈折測定の精度はトレードオフの関係にあり、レンズの分解能を高めるために開口数を大きくすると複屈折測定の精度が落ち、複屈折測定の精度を得るために開口数を小さくすると、レンズの分解能が低下する。図３（ａ）は、一般の市販テレセントリック・レンズの開口数と分解能の関係を示す図である。

次に、レンズに入射した光の光路差について説明する。図４は、被測定試料３１の点Ａにおいて、垂直に入射した光２００と、角度θをもって入射した光２０１との光路差について示した図である。同図に示すように、光路差は、垂直に入射した光２００の被測定試料２０からの出射点をＢ、点Ｂから光２０１に対して下ろした垂線と、光２０１との交点をＤ、光２０１の被測定試料２０からの出射点をＣとすると、ＣＤ間の距離で表される。したがって、被測定試料３１の厚さをｄとすると、光路差は以下の式で表される。

光路差＝d・tanθ・sinθ …式２
図３（ａ）に示した＃１〜＃６のテレセントリック・レンズについて、被測定試料のレタデーション値が例えば代表的な値３０ｎｍのときに、開口数sinθに起因する光路差を式２に基づいて算出した結果を図３（ｂ）に示す。

図１に示したように、測定対象であるカラーフィルタ１００は０．１ｍｍオーダーの構造を持っており、このようなカラーフィルタ１００の各エリア１０１内の複屈折分布を測定するためには、１桁下の１０μｍ以下の分解能があることが望ましい。図３（ｂ）に示した＃１〜＃６のテレセントリック・レンズにおいて、分解能が１０μｍ以下であり、開口数が最も小さいレンズは＃２のレンズである。即ち、図３（ｂ）に示した＃１〜＃６のテレセントリック・レンズにおいて、複屈折測定をおこなうにあたって最も適したレンズは＃２のレンズとなる。分解能の方をより重視する場合は、＃３のレンズの選択も許容の範囲である。

次に、複屈折測定における、撮像するレンズのレタデーションと２色性の影響について説明する。

図５に示すように、複屈折測定系の出力光には、直線偏光と回転する直線偏光の２種類が存在する。

出力が直線偏光の場合は、偏光の方位を水平０°とすると、光のストークス・パラメータの形は、
直線偏光出力＝［1+X 1+X 0 0］^T…式３
と表される。ここで、Xは試料情報によって変調された変数であり、Tは転置を表す記号である。

撮像レンズは、レタデーションと２色性の特性を持っている。ここでは、図６に示すように、撮像レンズの特性を２色性（ａ）＋レタデーション＋２色性（ｂ）としてモデリングする。

式３から、レンズに入射する直線偏光の強度は1+Xであるので、２色性（ａ）の経過後の光の強度は、
２色性（ａ）経過後＝［1 1+A・X 0 0］^T …式４
と表される。なお、Aは２色性（ａ）によって発生するある係数であり、式４は全体を直流分１で規格化している。

ここで、進相軸方位α、位相差δの試料についてのミュラー行列において、以下のようにR、S、T、U、Vを定義する。

このR、S、T、U、Vを用いてレタデーション経過後の光の強度を表すと、式５のようになる。

レタデーション経過後＝［1 R・(1＋A・X) S・(1＋A・X) -U・(1＋A・X)］^T …式５
したがって、２色性（ｂ）の振幅比をtanψとすると、２色性（ｂ）の経過後の光の強度は、
２色性（ｂ）経過後＝（1＋B・cosψ・R・（1＋A・X）＋B・sinψ・S・（1＋A・X）） …式６
と表される。ここで、Bは２色性（ｂ）によって発生するある係数である。式６を展開し、K＝B・（cosψ・R＋sinψ・S）とすると、
２色性（ｂ）経過後＝1＋K＋A・K・X これを直流分(1+K)で規格化して書き直して
２色性（ｂ）＝(1+K)・{1＋A・K／（1＋K）・X・（1＋K）} …式７
となり、さらに、K´＝A・K／（1＋K）とすると、
２色性（ｂ）経過後＝(1+K)・（1＋K´・X）・（1＋K） …式８
と表される。

光測定の場合、光強度の絶対値は重要ではないので、式８の本質を見やすくするために適当な定数A´を用いて置き換えると、以下のように整理される。

２色性（ｂ）経過後＝A´・（1＋K´・X） …式９
このように、撮像レンズを介した光の強度は、レンズに入射する直線偏光の強度に対して係数の有無だけの違いとなる。すなわち、複屈折測定系の出力が直線偏光であれば、撮像レンズのレタデーションと２色性は固有の光強度伝達係数として扱うことができる。また、この光強度伝達係数は、被測定試料の無い状態で測定を行うことにより算出することが可能である。

これに対し、撮像レンズに入射する複屈折測定系からの出力光が回転する直線偏光である場合には、未知数が多いために、補正を行うことは現実的には不可能である。したがって、複屈折測定の出力光は直線偏光であることが必須となる。すなわち、テレセントリック・レンズ２３の前段に、回転しない固定の直線偏光素子を配置する必要がある。

テレセントリック・レンズ２３の直前の素子が回転しない方位固定の偏光素子である複屈折の測定方式には、回転位相子法、回転偏光子法、および二重回転位相子法の３種類がある。本実施の形態の複屈折測定装置１０は、回転位相子法を用いている。図７（ａ）は、本発明に係る複屈折測定装置１０の光学系の概略を示す構成図である。

図７（ａ）に示すように、本実施の形態の複屈折測定装置１０は、光源１１、第１の凸レンズ１２、ピンホール板１３、および第２の凸レンズ１４から構成されるコリメータ１５、第１の直線偏光板１６、第１のλ／４波長板１７、第２のλ／４波長板２１、第２の直線偏光板２２、テレセントリック・レンズ２３、およびＣＣＤカメラ２４から構成されている。また、測定対象であるカラーフィルタ１００は、第１のλ／４波長板１７と第２のλ／４波長板２１に配置される。

コリメータ１５は光源１１からの光をコリメートし、図示しない干渉フィルタを用いて所定の波長を取り出す。この光は、透過軸が水平（０°）の方位になるように配置された第１の直線偏光板１６に入射され、水平方向の直線偏光に変えられる。第１の直線偏光板１６の前段に偏光解消素子を配置してもよい。

この直線偏光は、第１のλ／４波長板１７へ入射される。第１のλ／４波長板１７は、モータによる回転が可能であり、かつ所定の分割数の位置に停止させることができるように構成されている。本実施の形態では、１周を２００分割しており、１．８°毎に停止可能となっている。

被測定試料であるカラーフィルタ１００は、第１のλ／４波長板１７を透過した測定光が、カラーフィルタ１００の表面に対して垂直に入射するように配置される。なお、カラーフィルタ１００に対して斜めから入射することも可能なように、カラーフィルタ１００を固定する手段にアオリ機構を設けてもよい。

カラーフィルタ１００を透過した光は、進相軸が４５°の方位に固定された第２のλ／４波長板２１へ入射する。さらに、第２のλ／４波長板２１を透過した光は、透過軸が０°の方位に固定された第２の直線偏光板２２に入射する。

第２の直線偏光板２２を透過した光は、テレセントリック・レンズ２３に入射する。テレセントリック・レンズ２３は、カラーフィルタ１００の表面にピントが合うように調整されている。テレセントリック・レンズ２３を透過した光は、ＣＣＤカメラ２４により撮像される。

図８（ｃ）に、本発明の複屈折測定装置１０の光学系の概略図を示す。同図に示すように、試料３１を透過した光は、結像レンズ３２であるテレセントリック・レンズ２３により平行光成分が抽出されて結像面３３に結像する。

ＣＣＤカメラ２４は、面受光素子として図示しないＣＣＤを備えており、カラーフィルタ１００に配列された各エリア１０１について、ＣＣＤの所定の画素が対応して撮像が行われる。したがって、カラーフィルタ１００の各エリア１０１内の微小エリアに対応したＣＣＤの所定の画素について光強度の測定を行うことにより、各エリア１０１内の微小エリアの複屈折特性を算出することが可能となり、さらにカラーフィルタ１００の複屈折分布を求めることができる。微小エリアはＣＣＤの単独の画素でもよいし、ＣＣＤの複数個の画素を合算平均し、１つのより大きな画素として扱ってもよい。

なお、テレセントリック・レンズ２３を透過した光を撮像する面受光素子は、ＣＣＤに限られるものでなく、ＣＭＯＳであってもよい。

次に、本発明に係る複屈折測定装置１０の動作について説明する。

まず、光源１１が光を照射し、前述した各光学素子とカラーフィルタ１００を透過した光について、ＣＣＤカメラ２４により撮像を行う。次に、第１のλ／４波長板１７を１．８°だけ回転させるとともに、ＣＣＤカメラ２４により撮像を行う。

さらに、第１のλ／４波長板１７を１．８°だけ回転させ、ＣＣＤカメラ２４により撮像を行う。撮像画像にぶれが起こらないようであれば、撮像のために回転停止させる必要はない。

このように、第１のλ／４波長板１７が１周するまで、第１のλ／４波長板１７の回転とＣＣＤカメラ２４による撮像を繰り返す。本実施の形態では、２００回の撮像を行うことになる。なお、撮像は第１のλ／４波長板１７の半周分だけでもよい。

全ての撮影が終了したら、ＣＣＤカメラ２４が撮像した画像について、カラーフィルタ１００の各エリア毎に対応したＣＣＤの所定の画素毎に、第１のλ／４波長板１７の回転に同期した輝度変化のデータを得る。この輝度変化のデータから、各エリア１０１内の微小エリアの複屈折を算出する。

ここまでの動作をミュラー行列で表現すると以下のようになる。

方位０の直線偏光が第１のλ／４波長板１７を通過し、カラーフィルタ１００に照射される試料照射光は、［数２］のように表される。

なお、P=cos2γ、Q=sin2γであり、γは第１のλ／４波長板１７の進相軸方位である。また、左辺の１、X、Y、Zは、試料照射光のストークスパラメータである。

ここで、試料の進相軸方位をα、位相差をδとし、さらにC＝cos2α、S＝sin2αとすると、［数２］の試料照射光がカラーフィルタ１００を透過した試料透過光は、［数３］のように表される。

さらに、［数３］の試料透過光が第２のλ／４波長板２１および第２の直線偏光板２２
を通過してＣＣＤカメラ２４で受光される光は、［数４］のように表される。

したがって、最終的にＣＣＤカメラ２４のＣＣＤの各画素で受光する光の強度は、
光出力=S0=(Sa-Sd)/2 …式１０
となる。ここで、［数２］、［数３］から、式１０は、
光出力=(1-1/2・S・sinδ-1/2・S・sinδ・cos4γ+1/2・C・sinδ・sin4γ-cosδ・sin2γ)/4 …式１１
と変形される。

このように、ＣＣＤカメラ２４で受光される光出力は、第１のλ／４波長板１７の回転角γに対し、直流、ｃｏｓ４γ成分、ｓｉｎ４γ成分、ｓｉｎ２γ成分の合成波で表すことができ、離散フーリエ変換処理を行うことでそれぞれの係数を求めることができる。離散フーリエ変換処理のそれぞれの結果を、F_DC、F_cos4、F_sin4、F_sin2、ＣＣＤカメラ２４のＣＣＤの蓄積電荷に対する増幅率をＫとすると、式１１〜式１４の関係が得られる。

F_DC=K/4・(1-1/2・S・sinδ) …式１２
I_cos4=F_cos4/F_DC=-1/2・S・sinδ/(1-1/2・S・sinδ) …式１３
I_sin4=F_sin4/F_DC=1/2・C・sinδ/(1-1/2・S・sinδ) …式１４
I_sin2=F_sin2/F_DC=-cosδ/(1-1/2・S・sinδ) …式１５
したがって、カラーフィルタ１００の方位α、レタデーションδは、式１３〜式１５から、式１６、式１７のように表される。

-I_cos4/I_sin4=S/C=tan2α から、α=1/2・Atan(-I_cos4/I_sin4) …式１６
(I_cos4/I_sin2)²+(I_sin4/I_sin2)²=1/4・sin²δ/cos²δ=1/4・tan²δ から、
δ=Atan{2√[(I_cos4/I_sin2)²+(I_sin4/I_sin2)²]} …式１７
このように、Atanをとることで、δには２つの候補が得られるが、I_cos4、I_sin4、I_sin2の符号から真値を選ぶことができる。

さらに、この演算をカラーフィルタ１００の各エリア毎に対応したＣＣＤの所定の画素毎に対して行うことで、カラーフィルタ１００の複屈折分布を求めることができる。

以上説明したように、カラーフィルタ１００を透過した光を回転しない第２の直線偏光板２２で直線偏光に変換し、テレセントリック・レンズ２３を用いて平行光として結像し、ＣＣＤカメラ２４で撮像することにより、微細構造を持つカラーフィルタ１００の複屈折特性を精度よく面測定することが可能になる。

なお、前述のように、テレセントリック・レンズ２３の直前が偏光素子である複屈折の測定方式には、回転位相子法の他に回転偏光子法と二重回転位相子法があり、これらの方式を用いて複屈折を測定してもよい。図７（ｂ）は回転偏光子法を用いた場合の光学系の概略を示す構成図であり、図７（ｃ）は二重回転位相子法を用いた場合の光学系の概略を示す構成図である。図７（ｃ）に示す二重回転位相子法の場合は、第２のλ／４波長板２１を第１のλ／４波長板１７の５倍の回転速度で回転させて測定する方法を用いることができる。

図１は、カラーフィルタ１００の微細構造を示す拡大図である。 図２は、一般的なレンズにおける開口数sinθを示す図である。 図３（ａ）は、テレセントリック・レンズの開口数と分解能の関係を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示したレンズについて、被測定試料の厚さが３０ｎｍのときのレンズの開口数sinθに起因する光路差を示す図である。 図４は、試料３１における光路差を示す図である。 図５は、テレセントリック・レンズ２３に入力される直線偏光と回転する直線偏光の２種類の光を示す概念図である。 図６は、テレセントリック・レンズ２３の特性について、２色性（ａ）＋レタデーション＋２色性（ｂ）としてモデリングしたこと示す概念図である。 図７は、本発明に係る複屈折測定装置１０の光学系の概略を示す構成図である。 図８は、使用するレンズによる結像の様子の違いについて示した図である。

符号の説明

１０…複屈折測定装置、１１…光源、１２…第１の凸レンズ、１３…ピンホール板、１４…第２の凸レンズ、１５…コリメータ、１６…第１の直線偏光板、１７…第１のλ／４波長板、２１…第２のλ／４波長板、２２…第２の直線偏光板、２３…テレセントリック・レンズ、２４…ＣＣＤカメラ、３１…被測定試料、３２…結像レンズ、３３…結像面、３４…集光レンズ、１００…カラーフィルタ、１０１…各ＲＧＢ領域、１０２…ブラックマトリクス

Claims (6)

1. 被測定試料に光を照射する手段と、
   前記被測定試料を透過した透過光から平行光成分を抽出し、該平行光成分を用いて結像する結像手段と、
   前記結像した透過光を面受光素子により画像データに変換する手段と、
   前記画像データに基づいて前記被測定試料の所定のエリア毎の複屈折を算出する手段と、
   前記所定のエリア毎の複屈折に基づいて前記被測定試料の複屈折分布を算出する手段と、
   を備えたことを特徴とする複屈折測定装置。
2. 前記結像手段はテレセントリック・レンズであり、
   前記テレセントリック・レンズの開口数が０．０４５以下であることを特徴とする請求項１に記載の複屈折測定装置。
3. 前記結像手段の直前に所定の方位に固定された偏光素子が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の複屈折測定装置。
4. 前記複屈折測定装置の位相差検出方式は、回転位相子法、回転偏光子法、および二重回転位相子法のいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の複屈折測定装置。
5. 前記被測定試料は、３原色Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれかの色に着色されたエリアが周期的パターンで配列されるカラーフィルタであり、
   前記所定のエリアは、前記３原色Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれかの色に着色されたエリアであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の複屈折測定装置。
6. 被測定試料に光を照射する工程と、
   前記被測定試料を透過した透過光から平行光成分を抽出し、該平行光成分を用いて結像する工程と、
   前記結像した透過光を面受光素子により画像データに変換する工程と、
   前記画像データに基づいて前記被測定試料の所定のエリア毎の複屈折を算出する工程と、
   前記所定のエリア毎の複屈折に基づいて前記被測定試料の複屈折分布を算出する工程と、
   を備えたことを特徴とする複屈折測定方法。

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