JP2792315B2 - 複屈折測定装置 - Google Patents

複屈折測定装置

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JP2792315B2 JP4051114A JP5111492A JP2792315B2 JP 2792315 B2 JP2792315 B2 JP 2792315B2 JP 4051114 A JP4051114 A JP 4051114A JP 5111492 A JP5111492 A JP 5111492A JP 2792315 B2 JP2792315 B2 JP 2792315B2
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    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21Polarisation-affecting properties
    • G01N21/23Bi-refringence

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  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は液晶ディスプレイに使用
される液晶パネル、配向膜のついたガラス板やレンズ等
の光学部品、光ディスク等の複屈折の大きさと遅相軸の
方向を千分の2秒/点と超高速、かつ、0.01nmと
いう超高精度に測定できる複屈折測定装置に関するもの
である。従来、電子顕微鏡を始めあらゆる方法でも見る
ことができなかったラビングによる微小な分子の配向状
態の分布を見ることができる装置である。
【0002】
【従来の技術】従来の複屈折の測定方法として、回転検
光子法,位相補償法,位相変調法がある。回転検光子法
とは偏光子の後に被測定物を偏光子の偏光方向に対して
複屈折の方向が45°を向くように置き、その後に検光
子を置き回転させる。検光子の後に置かれた光検出器出
力の最大値と最小値から複屈折量を算出する方法であ
る。位相補償法とは偏光子と検光子を互いに軸が直行す
るように置き、その間に被測定物を複屈折の方向が45
°を向くように置く。被測定物と検光子の間にバビネソ
レイユ補償板を置き、透過光量が最小になるよう補償板
を調節する。補償板の位相補償値が求める複屈折量であ
る。
【0003】これらの方法ではnm以下の分解能での複
屈折量の測定ができない。より高分解能の測定ができる
方法が位相変調法である。これはx軸から45°方向に
直線偏光したレーザ光を光弾性変調器でx方向だけ位相
変調させ、被測定物を透過した光のビート信号と変調信
号の位相差から複屈折量を求める方法である。
【0004】位相変調法の詳細は持田悦宏:「位相変調
法による複屈折測定と応用」,光技術コンタクト,Vo.
27.No.3(1989)に記載されている。この方法
では0.01nmもの高分解能測定が可能である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術で記したい
ずれの方法でも被測定物の複屈折の方向、即ち進相軸と
遅相軸の方向と複屈折量、即ち光波の電場が進相軸方向
を向いている透過光と遅相軸方向を向いている透過光の
位相の差を同時に測定することはできない。そこで、ま
ず被測定物を測定光の方向を軸として回転させながら複
屈折量を測定することによって複屈折の方向を知り、そ
の角度に被測定物を合わせて置いて初めて複屈折量が測
定できることになる。被測定物の回転を含めると、測定
時間は1ポイント当たり1分以上かかる。
【0006】被測定物を回転させなければ複屈折量と方
向を測定することができないので、板状の被測定物の全
面の複屈折の分布を細かく測定したい場合各測定点で複
屈折の方向に合わせて被測定物を回転させるとなると、
測定時間が長くかかるのと、測定点が回転中心からずれ
ていると測定位置が円を描くので測定誤差を生じるとい
う問題点がある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、光周波数f1
で、x軸方向に光電場が向き、z軸方向に伝播する第1
の直線偏光レーザ光と、光周波数f2で、前記第1の直
線偏光レーザ光に対して垂直なy軸方向に光電場が向
き、前記第1の直線偏光レーザ光と同じ光路を進む第2
の直線偏光レーザ光とを発生し、被測定物に照射する光
源と、差周波数f=f1−f2の差周波数交流信号を発
生する差周波数発生手段と、前記被測定物を透過した前
記第1の直線偏光レーザ光と前記第2の直線偏光レーザ
光を偏光方向によらずほぼ一定の比率で分離する光分離
手段と、該光分離手段により分離された一方の光をxy
軸から45°方向の偏光成分の光のみ通過する検光子を
通して受光する第1の光検出器と、前記光分離手段によ
り分離された他方の光をx軸又はy軸方向に偏光した成
分のみ透過する検光子を通して受光する第2の光検出器
と、前記第1の検出器からの信号aとコサインの参照信
号の積q及び前記第2の光検出器からの信号bとサイン
の参照信号の積sを得る乗算器と、この乗算器出力から
前記被測定物の複屈折量dと遅相軸、又は進相軸方向を
算出する計算手段を備えた複屈折測定装置である。
【0008】さらに、上記信号a又はbの直流成分Tを
検出するローパスフィルターと、このTを上記計算手段
に入力することもできる。
【0009】
【作用】本発明は上記光源からの光を被測定物に透過さ
せ、この透過光を2つに分離し、それぞれ、xy軸から
45°方向の偏光成分の光のみを透過する検光子1を通
して光検出器1で受光した信号aと、x軸かy軸方向に
偏光した成分のみを透過する検光子2を通して光検出器
2で受光した信号bと、前記差周波交流信号fから、f
とa、fとbの積qとsを取る乗算器の出力から前記被
測定物の複屈折量dと遅相軸の方向cを算出するもので
ある。
【0010】被測定物の透過率が一定でない場合は上記
信号a、又はbの直流成分Tに定数を掛けたものが透過
率なので、Tを計算式に入れる。
【0011】計算式が下記に示される。 ここで、t=Ta12a22、a1とa2はそれぞれ第1
の直線偏光レーザ光と第2の直線偏光レーザ光の光の電
場の振幅、Tは上記直流成分に定数を乗じて得られる被
測定物の透過率を示す。
【0012】発振周波数安定化He−Neのゼーマンレ
ーザ1からz軸方向にレーザ光が発する。このレーザは
x方向に電場が向いた周波数f1の直線偏光レーザ光と
y方向に電場が向いた周波数f2の直線偏光レーザ光に
よりなる。このレーザはレーザ管に磁場をかけることに
よりゼーマン効果によりわずかにエネルギー準位がずれ
f1とf2は発振周波数がずれているが、f1とf2の
差fは安定化させないと変動する。fが一定になるよう
にレーザの共振器長を一定になるように制御したものが
発振周波数安定化ゼーマンレーザで、制御法としてはフ
ァンを使用して温度を一定にする方式やピエゾ素子を共
振器ミラーにつけ共振器長を制御する方法がある。fの
値は100KHzから数MHzまで種類がある。
【0013】ゼーマンレーザのコントローラー2からは
差周波数fの参照ビート信号を出力する。ゼーマンレー
ザ光はレンズ3とミラー4によって被測定物5の上に集
光される。被測定物5はxyステージ6によってxy方
向に移動できる。被測定物5の透過光は、f1とf2の
両方の光を分離する光分離手段である無偏光ビームスプ
リッタ7によって2分割され、一方の光はx軸から45
°の偏光成分の光のみ透過する検光子8を通過して光検
出器10で受光される。他方の光はx軸、又は、y軸方
向(光の進行方向を常にz軸方向とする。)に偏光した
成分のみを透過する検光子9を通過して光検出器11で
受光される。
【0014】光検出器10,11は被測定物5の持つ光
透過率、複屈折量、遅相軸方向に応じて変化する信号を
検出する。光検出器10の出力aはプリアンプ12を通
して直流成分Tのみを検出するローパスフィルター1
4、交流成分と参照信号fとの積qを出力するロックイ
ンアンプ15を通過する。光検出器11の出力bはプリ
アンプ13を通してロックインアンプ16でその交流成
分と参照信号との積sを出力する。
【0015】これらの信号T,q,sはAD変換器17
でAD変換されたのちコンピュータ18に送られる。コ
ンピュータ18ではT,q,sから複屈折量と遅相軸方
向を以下のように演算出力する。
【0016】光が偏光素子等を通ると偏光状態が変化す
るが、変化が複雑である。光の電場を複素数表示でジョ
ーンズベクトルで表し、被測定物や素子をジョーンズ行
列で表示して計算する方法が正しい結果をもたらす。
【0017】ジョーンズ行列による計算法は、鈴木範人
ら著「応用光学II」朝倉書店1982年発行35ページ
等に記されている。
【0018】ゼーマンレーザはX方向に発振角周波数w
1で、Y方向にw2で発振しているとする。それぞれの
振幅をa1,a2とすると、レーザ光の電場E0はジョ
ーンズベクトルで下式のようにあらわされる。
【0019】
【数1】
【0020】被測定物のジョーンズ行列Pは複屈折量を
d、遅相軸方向をc、透過率をTと置くと、
【0021】
【数2】
【0022】XY軸に対して45°方向に置かれた検光
子1のジョーンズ行列K1は
【0023】
【数3】
【0024】X軸方向に置かれた検光子2のジョーンズ
行列K2は
【0025】
【数4】
【0026】光検出器1の位置での光電場ベクトルE1
【0027】
【数5】
【0028】光検出器2の位置での光電場ベクトルE2
【0029】
【数6】
【0030】で表される。光検出器1の位置での光強度
は電場振幅とその複素共役との積で表される。光検出器
1が検知できる信号成分である光強度I1は、この計算
結果から光検 出器が検知できない光周波数成分を除く
ことにより、式のようになる。非常に大変な計算にな
るが途中を省略した。
【0031】
【数7】
【0032】ここで、w1−w2=wと書いた。同様に
光検出器2が検知する光強度I2
【0033】
【数8】
【0034】コサインの参照信号振幅は式でc=d=
0より =a12+a22+2a1a2coswt サインの参照信号振幅は =a12+a22+2a1a2sinwt 参照信号はACカップリングしDC成分は除去したの
で、コサインとサインの参照信号強度はそれぞれ、2a
1a2coswtと2a1a2sinwtとなる。
ロックインアンプによりと、と、と、と
の積を出力する。との積pは
【0035】
【数9】
【0036】との積qは
【0037】
【数10】
【0038】との積rは
【0039】
【数11】
【0040】との積sは
【0041】
【数12】
【0042】T(a1a2)2=tと置くととより
【0043】
【数13】
【0044】とより
【0045】
【数14】
【0046】とより
【0047】
【数15】
【0048】
【0049】
【外1】
【0050】
【外2】
【0051】より
【0052】
【数16】
【0053】(外1)(外2)より
【0054】
【数17】
【0055】以上のように1点測定値から試料複屈折大
きさd(rad)と遅相軸方向cを求める式がある。複
屈折量Δnd(nm)=λd/2πより求まり、qとs
とtだけ検出すればいいことがわかる。即ち、
【0056】
【数18】
【0057】図2は,式で複屈折の大きさdを固定
し遅相軸方向cを変化させた時のq/tとs/tをプロ
ットしたものである。ロックインアンプ出力からq/t
とs/tが得られるが、遅相軸方向cは(外1),(外
2)から
【0058】
【数19】
【0059】で得られる。cは180°周期で多くの解
を持つ。そこで図2に示すように物理的に意味のある±
90°に制限すると、q/tはアークコサインなので図
2の○印と△印の2つのcの解があり、s/tは○印と
×印の2つの解がある。正しい解は○印で
【0060】
【外3】
【0061】式のように、アークサインとアークコサイ
ンが一致するcである。本実施例では直交2周波を発生
する光源としてゼーマンレーザを使用しているが、他に
従来例で述べた単一波長の直線偏光レーザを使用し、光
弾性変調器を使用したり、AO変調器を使用して直交2
周波を作り出すことも可能で、本発明の一つの形態であ
る。
【0062】
【発明の効果】本発明は被測定物を回転させずに複屈折
の大きさと方向を同時に測定できるので測定速度は2m
秒/ポイントと極めて高速で測定できる。また大面積の
測定物や回転させられないような測定物も容易に複屈折
分布を測定できる。他の方法では見ることができなかっ
た分子の並び具合の分布も本発明の装置で見ることがで
きるようになった。
【0063】さらに、液晶パネルや配向膜,レンズ,光
ディスク等の複屈折測定に使用すると全面を細かく走査
して高速で測定ができ、量産工程での検査が可能となる
など産業上の効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の構成図
【図2】本発明の実施例の測定計算式の説明図
【符号の説明】
1 ゼーマンレーザ 2 ゼーマンレーザのコントローラ 3 レンズ 4 ミラー 5 被測定物 6 xyステージ 7 無偏光ビームスプリッタ 8,9 検光子 10,11 光検出器 12,13 プリアンプ 14 ローパスフィルター 15,16 ロックインアンプ 17 AD変換器 18 コンピュータ 19 xyステージコントローラ
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 21/00 - 21/61

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光周波数f1で、x軸方向に光電場が向
    き、z軸方向に伝播する第1の直線偏光レーザ光と、光
    周波数f2で、前記第1の直線偏光レーザ光に対して垂
    直なy軸方向に光電場が向き、前記第1の直線偏光レー
    ザ光と同じ光路を進む第2の直線偏光レーザ光とを発生
    し、被測定物に照射する光源と、差周波数f=f1−f
    2の差周波数交流信号を発生する差周波数発生手段と、
    前記被測定物を透過した前記第1の直線偏光レーザ光と
    前記第2直線偏光のレーザ光を偏光方向によらずほぼ一
    定の比率で分離する光分離手段と、該光分離手段により
    分離された一方の光をxy軸から45°方向の偏光成分
    の光のみ通過する検光子を通して受光する第1の光検出
    器と、前記光分離手段により分離された他方の光をx軸
    又はy軸方向に偏光した成分のみ透過する検光子を通し
    て受光する第2の光検出器と、前記第1の検出器からの
    信号aとコサインの参照信号の積q及び前記第2の光検
    出器からの信号bとサインの参照信号の積sを得る乗算
    器と、この乗算器出力から前記被測定物の複屈折量dと
    遅相軸、又は進相軸方向を算出する計算手段を備えた複
    屈折測定装置。
  2. 【請求項2】 信号a、又はbの直流成分を検出するロ
    ーパスフィルタと、この直流成分を上記複屈折量dを算
    出する計算手段に加えた請求項1記載の複屈折測定装
    置。
  3. 【請求項3】 乗算器の出力から前記被測定物の複屈折
    量dと遅相軸の方向cを算出するための計算式が下記に
    示される請求項1記載の複屈折測定装置。 ここで、t=Ta12a22、a1とa2はそれぞれ第1
    の直線偏光レーザ光と第2の直線偏光レーザ光の光の電
    場の振幅、Tは上記直流成分に定数を乗じて得られる被
    測定物の透過率を示す。
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