JP2018096965A - 光学材料の応力測定方法、及び、光学材料応力測定システム - Google Patents
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Abstract
Description
ところで、ガラス基板自体に残留応力があり、又はパネル製造プロセスによる外力影響があれば、ディスプレイプレート上の薄膜トランジスタアレイ(TFT Array)とカラーフィルタ(CF)に変形損傷を発生させることがあり、液晶層に変形損傷又は不均一の隙間を発生させることもある。更にディスプレイプレート表示の欠陥を引き起こし、この欠陥はディスプレイプレート品質の大切な判断指標となる。
従って、現在の産業において製作されるチップの性能が予期と相違し又は製品が作動不可となる等の欠陥がよくある。上記から、光学板状素子(例えば、ガラスプレート)内の応力によりディスプレイ産業とMEMS・半導体製造産業の製品の重大な欠陥を引き起こすことが明らかである。この欠陥を解決し改善しようとすると、まず光学板状素子自体の残留応力を測定し、製品プロセスにおける光学板状素子に対してオンラインリアルタイムの応力検出をしなければならないので、光学板状素子に対する迅速な全界応力測定のシステムとその方法は、新動向として開発が切実に望まれている。
従って、従来の応力測定は、プログラムが必ず煩雑かつ膨大で、複雑な画像処理技術と識別演算が要求される。そしてシステムの架設コストも高く、適用上に非現実的だけでなく、迅速なオンラインリアルタイムの検出に適用されにくい。
この光学材料の応力測定方法は、材料が透過光学特性を有する被試験片の測定に用いられ、被試験片光強度画像キャプチャ工程、4ステップ位相シフト演算工程、等色線強化演算工程及び遅延量転換演算工程を含む。
被試験片光強度画像キャプチャ工程は、被試験片の異なる4つの位相角における4枚の光強度画像をキャプチャする。
4ステップ位相シフト演算工程は、光強度画像が十分な4つの光強度値を有する場合、光強度値を算出して被試験片の遅延量を得る。
等色線強化演算工程は、低応力における被試験片のいずれかの光強度画像が十分な光強度値を有しない場合、2つの等色線強化画像をキャプチャしてから2つの強化光強度値、等色線強化背景光強度値及び等色線強化振幅項光強度値を得て、また等色線強化背景光強度値、等色線強化振幅項光強度値及び2つの強化光強度値を算出して被試験片の遅延量を得る。
遅延量転換演算工程は、遅延量を被試験片の応力値に転換する。
等色線強化演算工程において、露光時間を増やす又は光源強度を増やすことにより、幾つかの等色線強化画像を取得する。
偏光子は、被試験片の第1側に位置する。
検光子は、被試験片の第1側に対向する第2側に位置する。
光源は、偏光子の外に位置し、順次に偏光子、被試験片及び検光子を透過するように光線を照射する。
撮像装置は、光線を受けるように検光子の外に位置し、光強度画像又は等色線強化画像を取得する。
演算装置は、4ステップ位相シフト演算工程、等色線強化演算工程及び遅延量転換演算工程を行うように撮像装置に接続される。
この第2の実施形態の光学材料の応力測定方法は、材料が透過光学特性を有する被試験片及び補正試験片の測定に用いられ、かつ被試験片の後面が反射層又は物体、部分的透過可能で部分的反射可能な層又は物体、反射が全然ない層又は物体、或いは同時に複数の上記物性を有する層又は物体を具備してもよい。
この光学材料の応力測定方法は、反射式光弾性演算工程、被試験片光強度画像キャプチャ工程、4ステップ位相シフト演算工程、等色線強化演算工程及び遅延量転換演算工程を含む。
被試験片光強度画像キャプチャ工程は、被試験片の異なる4つの位相角における4枚の光強度画像をキャプチャする。
4ステップ位相シフト演算工程において、光強度画像が十分な4つの光強度値を有する場合、入射電界値についての連立方程式により光強度値を演算して、被試験片の遅延量を得る。
等色線強化演算工程は、そのうちの1つの光強度画像が十分な光強度値を有しない場合、2つの等色線強化画像をキャプチャしてから2つの強化光強度値、等色線強化背景光強度値及び等色線強化振幅項光強度値を得て、また等色線強化背景光強度値、等色線強化振幅項光強度値、2つの強化光強度値及び入射電界値被試験片の遅延量を得る。
遅延量転換演算工程は、遅延量を被試験片の応力値に転換する。
そのため、測定プログラムと測定時間のいずれも縮減の効果が達成でき、更に測定精度を向上させることができる。そして別にハードウェア仕様を向上させる必要がなく、従って、応力が低い被試験片に対しても、本実施形態の技術は依然として等色線強化演算工程により光強度値を強化してから精確に測定を行うことができる。
等色線強化演算工程において、露光時間を増やす又は光源強度を増やすことにより、幾つかの等色線強化画像を取得する。
偏光子は、被試験片又は補正試験片の第1側に位置する。
検光子は、第1側とある夾角になる第2側に位置する。
光源は、偏光子の外に位置し、偏光子を透過するように光線を照射してから、被試験片又は補正試験片により検光子に反射させる。
撮像装置は、光線を受けるように検光子の外に位置し、光強度画像、補正光強度画像又は等色線強化画像を取得する。
演算装置は、反射式光弾性演算工程、4ステップ位相シフト演算工程、等色線強化演算工程及び遅延量転換演算工程を行うように撮像装置に接続される。
図1〜図2を併せて参照されたい。
本発明は、光学材料の応力測定方法100を提供する。図1に示すように、この光学材料の応力測定方法は、被試験片光強度画像キャプチャ工程110、4ステップ位相シフト演算工程120、等色線強化演算工程130及び遅延量転換演算工程140を含む。
図2における光学材料応力測定システム200は、材料が透過光学特性を有する被試験片210、偏光子220、検光子230、光源240、撮像装置250及び演算装置260を含む。光源240、偏光子220、被試験片210、検光子230及び撮像装置250は、順次に同軸的に配列される。
偏光子220は、被試験片210の第1側に位置する。
検光子230は、被試験片210の第1側に対向する第2側に位置する。
光源240は、偏光子220外に位置し、かつ順次に偏光子220、被試験片210及び検光子230を透過するように光線Aを照射する。
撮像装置250は、光線Aを受けるように検光子230の外に位置し、かつ光強度画像又は等色線強化画像を取得する。
演算装置260は、4ステップ位相シフト演算工程、等色線強化演算工程及び遅延量転換演算工程を行うように撮像装置250に接続される。
検光子230の回転角度を45度増やし(即ち、α2=0度及びβ2=90度)、光強度値I2をキャプチャする。
偏光子220の回転角度を45度増やし(即ち、α3=45度及びβ3=90度)、光強度値I3をキャプチャする。
検光子230の回転角度を45度増やし(即ち、α4=45度及びβ4=135度)、光強度値I4をキャプチャする。
偏光子220の回転角度を45度増やし(即ち、α1=90度及びβ1=135度)、この角度で、α1=0度及びβ1=45度と同じ光強度値I1をキャプチャする。
この循環動作によりそれぞれ光強度値I2、I3、I4をキャプチャし、光強度値I1をキャプチャできる架設に戻す。
式(9)の結果は、「sin2(δ/2)を含むがθがない光強度値」である。なお、式(2)に式(4)を足し、式(5)に式(3)を足すと、式(10)〜(11)が得られる。
最後に4ステップ位相シフト演算工程120により光強度値を算出して被試験片210の遅延量δを得る。式(9)及び式(12)の演算後、式(13)のように遅延量δの関係式が求められる。
本実施例は補強露光時間を調整する方式で導き出し説明するものであるが、注意すべきなのは、光源強度を増やすことで依然として同じ目的を達成できる。本発明の等色線強化演算工程130は、撮像装置250(例えば、カメラ)の露光時間を適切に調整して補強露光時間を増やす。このとき増やす比例量は、被試験片内の応力状態に応じて、式(3)と式(5)の強化された光強度画像に十分な光強度値を生じさせ、かつ過度の露光現象を発生させないことを原則として決められる。
式(15)を整理すると式(16)が得られる。
式(11)において、低応力の場合、Iasin2(δ/2)の演算光強度値は、Ibの値に等しいか、又はIbの値よりも小さい。これによりIbにおけるノイズがIasin2(δ/2)の演算光強度値に干渉を与えやすいため、演算でノイズがなくかつ十分な強度の光強度値Iasin2(δ/2)を光強度値から分離できない。
しかし、補強露光時間の後、即ち、式(15)の結果、Ia_Esin2(δ/2)の値は、2Ib_Eの値よりも大きいため、演算で演算光強度値Ia_Esin2(δ/2)を光強度値から分離でき、かつ、2Ib_EにおけるノイズがIa_Esin2(δ/2)の演算光強度値に干渉を与えにくくなる。また使用される撮像装置250は機械シャッター機能が内蔵されるCCDカメラであり、CCDカメラが画像に対するダーク補正ができ、これにより更にIb_Eに生じる誤差が減少できる。
上記2つの強化光強度値で、主応力角θは式(20)により求められる。
次に、図7に示すように、Y軸方向の直径での円心から4センチメートル離れる範囲内(図における矢印線分のように)における各点の応力実験値と理論値とを比較する。結果は、Y軸方向の直径での主応力差の実際値と理論値との関係を示す模式図7の通りである。その二乗平均平方根値が0.0869MPaであり、平均乖離差百分率が1.23%であることから、更に本発明の達成する効果が検証される。
図8は、SBCの異なる遅延量を測定した測定結果を示す模式図である。
図8Aは、SBCが0nm遅延量を選定した位置であり、この点の遅延量をSBCの基準値とし、異なる送り量の結果が何れもこの点で計算され、得られた等色線強化演算の遅延量をSBC基準値と比較する。
図8B〜図8Hには、実験測定結果において、SBCによる所定の遅延量が1.663nm、3.326nm、6.652nm、9.979nm、13.305nm、16.631nm及び19.957nmである場合の測定結果が示される。それぞれの測定結果値は、2.007nm、3.261nm、6.597nm、9.936nm、13.10nm、16.42nm及び19.58nmである。
また図3及び図4を併せて参照されたい。
本発明は、光学材料の応力測定方法100Aを別に提供する。図3に示すように、この光学材料の応力測定方法100Aは、反射式光弾性演算工程111A、被試験片光強度画像キャプチャ工程110A、4ステップ位相シフト演算工程120A、等色線強化演算工程130A及び遅延量転換演算工程140Aを含む。
図4は、被試験片310、補正試験片(未図示)、偏光子320、検光子330、光源340、撮像装置350及び演算装置360を含む、第2の実施形態の方法に適用される光学材料応力測定システム300を示す。
偏光子320は、被試験片310(又は補正試験片)の第1側に位置する。
検光子330は、第1側と夾角γi+γr(即ち、入射角γi+反射角γr)になる第2側に位置する。
光源340は、偏光子320外に位置し、かつ偏光子320を透過するように光線Aを照射してから、被試験片310により検光子330に反射させる。
撮像装置350は、光線Aを受けるように検光子350の外に位置し、かつ光強度画像、補正光強度画像又は等色線強化画像を取得する。
演算装置360は、反射式光弾性演算工程111A、4ステップ位相シフト演算工程120A、等色線強化演算工程130A及び遅延量転換演算工程140Aを行うように撮像装置350に接続される。
式(21)では式(1)よりも未知数Eが更にあるため、本発明において補正試験片によりEを求める。補正試験片は被試験片310と同じような材料でかつ内部に応力がないようにする必要がある。補正試験片材料の内部に応力がないため、光学材料応力測定システム300(即ち、反射式光弾性機器)が反射式平面偏光場に架設される場合、撮像装置350が補正試験片から得られる光強度値IOCiの一般式の演算式は、式(22)の通りであってもよい。
式(22)において、未知数Eだけがあるので、少なくとも1枚の光強度画像により解を求める。この解を求める工程は即ち、反射式光弾性演算工程111Aである。Eを求めると、式(21)には4つの未知数だけが残る。被試験片の光強度画像キャプチャ工程110A、4ステップ位相シフト演算工程120A、等色線強化演算工程130A及び遅延量転換演算工程140Aにより、被試験片の応力値を求めることができる。
従って、本発明の方法フローチャットは図3の通りである。演算装置360は、本実施例における形態がコンピュータである。
まず補正プログラムを行う。使用される補正試験片は負荷のないガラスディスク試験片(ドイツSCHOTT社)であり、この補正試験片に対して式(23)及び式(24)の光強度情報をキャプチャする。図9に、本発明の負荷が与えられない光学材料応力測定システムの2つの半明視野に架設される(即ち、式(23)及び式(24)の場合)(a)及び(b)という2枚の光強度画像図が示される。その中、この光強度画像図のように、光学材料応力測定システム300(即ち、反射式光弾性機器)の架設で撮像装置(CCDカメラ)の露光時間sを4秒に設置する。最後に、この2つの半明視野に架設される光強度を式(25)に代入して入射電界値Eを計算する。
図13は強化光強度値Io4_Eの光強度画像図である。負荷を受けるガラスディスクの被試験片が式(34b)に対応する補強露光時間sE後の等色線強化画像が明らかに観測される。図13における点線の丸が被試験片310の位置を示す。点線のところの実験測定結果と理論解を比較した比較前後の結果は、それぞれ図14(a)及び図14(b)の通りである。
図14(b)は、等色線強化演算工程130Aを使用する場合に計算される結果と理論解の比較図(即ち、式(39)による計算結果)であることから、反射式光弾性法の等色線強化理論を使用する計算結果と理論値がほぼ合致することが分かる。平均乖離差百分率が3.48%であるため、本発明の反射式の光学材料の応力測定方法の正確性と測定精度が検証される。
一、低応力による全界応力測定ができないという課題を解決し、また測定効果を向上させるメリット
二、本発明により効果的にハードウェアシステムを簡素化できるメリット
三、本発明により透過式又は反射式の精確な全界測定作業の要求を満たすメリット
110 被試験片光強度画像キャプチャ工程
120 4ステップ位相シフト演算工程
130 等色線強化演算工程
140 遅延量転換演算工程
200 光学材料応力測定システム
210 被試験片
220 偏光子
230 検光子
240 光源
250 撮像装置
260 演算装置
A 光線
100A 光学材料の応力測定方法
111A 反射式光弾性演算工程
110A 被試験片光強度画像キャプチャ工程
120A 4ステップ位相シフト演算工程
130A 等色線強化演算工程
140A 遅延量転換演算工程
300 光学材料応力測定システム
310 被試験片
320 偏光子
330 検光子
340 光源
350 撮像装置
360 演算装置
αi、α1、α2、α3及びα4 偏光子の偏光軸と水平軸の夾角
βi、β1、β2、β3及びβ4 検光子の偏光軸と水平軸の夾角
δ 遅延量
θ 被試験片の主応力角
Ia 振幅項光強度値
Ib 背景光強度値
Ii、I1、I2、I3及びI4 光強度値
Ia_E 等色線強化振幅項光強度値
Ib_E 等色線強化背景光強度値
I4_E、I2_E 強化光強度値
IOi、IO1、IO2、IO3、IO4 光強度値
IO4_E、IO2_E 強化光強度値
IOC1、IOC3、IOCi 補正光強度値
s 露光時間
sE 補強露光時間
IA 振幅項光強度値
IB 背景光強度値
IB_E 等色線強化背景光強度値
IA_E 等色線強化振幅項光強度値
EE 補強露光時間内の入射電界値Eの総量
tp、tp’ 電界振幅透過率
ts、ts’ 電界振幅透過率
rp、rp’ 電界振幅反射率
rs、rs’ 電界振幅反射率
γi 入射角
γr 反射角
xi 測定結果
x- is(式中ではxの上に横バーを記載) SBCに所定される標準遅延量
n 実験測定数
Claims (15)
- 材料が透過光学特性を有する被試験片の測定に用いられる光学材料の応力測定方法であって、
前記被試験片の異なる4つの位相角における4枚の光強度画像をキャプチャする被試験片光強度画像キャプチャ工程と、
前記光強度画像が十分な4つの光強度値を有する場合、前記光強度値を算出して前記被試験片の遅延量を得る4ステップ位相シフト演算工程と、
低応力における前記被試験片のいずれかの前記光強度画像が十分な前記光強度値を有しない場合、2つの等色線強化画像をキャプチャしてから2つの強化光強度値、等色線強化背景光強度値及び等色線強化振幅項光強度値を得て、また前記等色線強化背景光強度値、前記等色線強化振幅項光強度値及び前記強化光強度値を算出して前記被試験片の前記遅延量を得る等色線強化演算工程と、
前記遅延量を前記被試験片の応力値に転換する遅延量転換演算工程と、
を含む光学材料の応力測定方法。 - 前記4ステップ位相シフト演算工程において、
前記遅延量がδであり、
前記被試験片の主応力角がθであり、
振幅項光強度値がIaであり、背景光強度値がIbであるとすると、
前記4つの光強度値であるI1、I2、I3及びI4についての以下の2つの連立方程式
前記2つの連立方程式に基づく以下の式
前記4つの光強度値I1、I2、I3及びI4に基づき、以下の式
- 前記等色線強化演算工程において、
前記遅延量がδであり、
前記被試験片の主応力角がθであり、
前記等色線強化背景光強度値がIb_Eであり、
前記等色線強化振幅項光強度値がIa_Eであり、
元の露光時間がs、補強露光時間がsEであり、
2つの前記強化光強度値がI4_E及びI2_Eであり、
元の光強度振幅項光強度値がIaであるとすると、
以下の連立方程式
- 前記等色線強化演算工程において、露光時間を増やすことにより、前記等色線強化画像を取得する請求項1に記載の光学材料の応力測定方法。
- 前記等色線強化演算工程において、光源強度を増やすことにより、前記等色線強化画像を取得する請求項1に記載の光学材料の応力測定方法。
- 請求項1に記載の光学材料の応力測定方法に適用される光学材料応力測定システムであって、
前記被試験片と、
前記被試験片の第1側に位置する偏光子と、
前記被試験片の前記第1側に対向する第2側に位置する検光子と、
前記偏光子の外に位置し、前記偏光子、前記被試験片及び前記検光子を順次に透過するように光線を照射する光源と、
前記光線を受けるように前記検光子の外に位置し、前記光強度画像又は前記等色線強化画像を取得する撮像装置と、
前記4ステップ位相シフト演算工程、前記等色線強化演算工程及び前記遅延量転換演算工程を行うように前記撮像装置に接続される演算装置と、
を含む光学材料応力測定システム。 - 前記被試験片は、材料が一時的複屈折現象を有するガラス、高分子ポリマー、シリコンウエハー又はセラミックである請求項6に記載の光学材料応力測定システム。
- 材料が透過光学特性を有する被試験片及び補正試験片の測定に用いられる光学材料の応力測定方法であって、
前記補正試験片の幾つかの補正光強度画像をキャプチャして、入射電界値を算出する反射式光弾性演算工程と、
前記被試験片の異なる4つの位相角における4枚の光強度画像をキャプチャする被試験片光強度画像キャプチャ工程と、
前記光強度画像が十分な4つの光強度値を有する場合、前記入射電界値についての連立方程式により前記光強度値を算出して前記被試験片の遅延量を得る4ステップ位相シフト演算工程と、
そのうちの1つの前記光強度画像が十分な前記光強度値を有しない場合、2つの等色線強化画像をキャプチャしてから2つの強化光強度値、等色線強化背景光強度値及び等色線強化振幅項光強度値を得て、また前記等色線強化背景光強度値、前記等色線強化振幅項光強度値、前記強化光強度値及び前記入射電界値を算出して前記被試験片の前記遅延量を得る等色線強化演算工程と、
前記遅延量を前記被試験片の応力値に転換する遅延量転換演算工程と、
を含む光学材料の応力測定方法。 - 前記反射式光弾性演算工程において、
前記補正試験片の2つの前記補正光強度画像をキャプチャして得られる2つの補正光強度値がIoc1及びIoc3であり、
電界が前記補正試験片の前面に入射する平行入射平面及び垂直入射平面における振幅反射率がrp及びrsであり、
電界が前記補正試験片の前面に入射する平行入射平面及び垂直入射平面における振幅透過率がtp及びtsであり、
電界が前記補正試験片の前面を透過してから後面に入射する平行入射平面及び垂直入射平面における振幅反射率がrp’及びrs’であり、
電界が前記補正試験片の後面から前面に入射する平行入射平面及び垂直入射平面における振幅透過率がtp’及びts’であり、
前記入射電界値がEであるとすると、
以下の式
- 前記4ステップ位相シフト演算工程において、
前記遅延量がδであり、
前記被試験片の主応力角がθであるとすると、
前記4つの光強度値であるIo1、Io2、Io3、Io4、及び前記入射電界値Eについての以下の2つの連立方程式
前記2つの連立方程式に基づく以下の式
前記4つの光強度値Io1、Io2、Io3、Io4及び前記入射電界値Eに基づき、以下の式
- 前記等色線強化演算工程において、
前記遅延量がδであり、
前記被試験片の主応力角がθであり、
前記等色線強化背景光強度値がIB_Eであり、
前記等色線強化振幅項光強度値がIA_Eであり、
元の露光時間がs、補強露光時間がsEであり、
2つの前記強化光強度値がIo4_E及びIo2_Eであり、
電界が前記補正試験片の前面に入射する平行入射平面及び垂直入射平面における振幅反射率がrp及びrsであり、
元の光強度振幅項光強度値がIAであり、
前記入射電界値がEであり、
補強露光時間内の前記入射電界値Eの総量がEEであるとすると、
以下の連立方程式
- 前記等色線強化演算工程において、露光時間を増やすことにより、前記等色線強化画像を取得する請求項8に記載の光学材料の応力測定方法。
- 前記等色線強化演算工程において、光源強度を増やすことにより、前記等色線強化画像を取得する請求項8に記載の光学材料の応力測定方法。
- 請求項8に記載の光学材料の応力測定方法に適用される光学材料応力測定システムであって、
前記被試験片及び前記補正試験片と、
前記被試験片又は前記補正試験片の第1側に位置する偏光子と、
前記第1側とある夾角になる第2側に位置する検光子と、
前記偏光子の外に位置し、前記偏光子を透過するように光線を照射してから、前記被試験片又は前記補正試験片により前記検光子に反射させる光源と、
前記光線を受けるように前記検光子の外に位置し、前記光強度画像、前記補正光強度画像又は前記等色線強化画像を取得する撮像装置と、
前記反射式光弾性演算工程、前記4ステップ位相シフト演算工程、前記等色線強化演算工程及び前記遅延量転換演算工程を行うように前記撮像装置に接続される演算装置と、
を含む光学材料応力測定システム。 - 前記被試験片は、材料が一時的複屈折現象を有するガラス、高分子ポリマー、シリコンウエハー又はセラミックである請求項14に記載の光学材料応力測定システム。
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