JP3379287B2 - 複屈折層ギャップ厚測定方法 - Google Patents

複屈折層ギャップ厚測定方法

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JP3379287B2
JP3379287B2 JP15896795A JP15896795A JP3379287B2 JP 3379287 B2 JP3379287 B2 JP 3379287B2 JP 15896795 A JP15896795 A JP 15896795A JP 15896795 A JP15896795 A JP 15896795A JP 3379287 B2 JP3379287 B2 JP 3379287B2
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G01N21/23—Bi-refringence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material

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  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、複屈折層を有する
光学材料、例えば液晶等の被測定対象のギャップ厚を測
定するための複屈折層ギャップ厚測定方法に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】図１４は従来の液晶層ギャップ厚測定装
置の模式図であり、図１５は偏光板透過軸方向と液晶ラ
ビング方向を示した図である。
【０００３】図１４において、１０１は複数の波長を有
する光源であり、１０２は、光源１０１から放射された
複数の波長を含む入射光の中で選択した波長を射出する
モノクロメータ、１０３は偏光板、１０４は液晶ねじれ
角が略９０゜の被測定物の液晶であり、偏光板１０３の
透過軸１０７と液晶１０４の入射側ラビング方向１０８
は平行である。１０５は偏光板であり、透過軸１１０は
偏光板１０３の透過軸１０７と平行である。１０６は光
検出器である。
【０００４】以上のように構成された液晶層ギャップ厚
測定方法及び装置について、以下その動作について説明
する。
【０００５】モノクロメータ２の射出光の波長をλとす
ると、偏光板３、液晶４、偏光板５を透過する光の透過
率Ｔは（数１）となる。
【０００６】
【数１】
【０００７】透過率Ｔを０とする波長をλsとすると、
（数１）より（数２）が得られる。
【０００８】
【数２】
【０００９】従って、モノクロメータ２の波長を変化さ
せ、光検出器６での検出される光量が０、つまり、（数
１）の透過率Ｔが０となる波長λsを求め、（数２）に
代入することにより液晶層ギャップ厚ｄを求めることが
できる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、ギャップ厚が測定できる液晶は、そのね
じれ角が９０゜の場合に限定される。
【００１１】また、液晶ラビング方向を偏光板１０３、
１０５の透過方向と一致させる必要があるため、液晶ラ
ビング方向が既知でなければならない。しかし、通常、
液晶ラビング方向を測定することは困難であり、偏光板
の透過軸と液晶ラビング方向を正確に一致させることが
できない。
【００１２】また、モノクロメータ２あるいは分光光度
計を用いる必要があるため、測定時間が１分程度必要と
なり、インライン検査等の高速性が要求される用途には
使用することができない。
【００１３】また、モノクロメータあるいは分光光度計
を用いているため、装置構成が複雑になり、装置価格が
高くなる。
【００１４】本発明は上記問題点に鑑み、液晶のねじれ
角が９０゜以外の液晶に関しても、あるいはラビング方
向が未知な液晶に関しても、そのギャップ厚が正確に測
定でき、またインライン検査可能な高速性を有し、低価
格化が可能な複屈折層ギャップ厚測定方法を提供するこ
とを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の複屈折層ギャップ厚測定方法は、平行ニコ
ル状態あるいは直交ニコル状態に設定された２枚の偏光
板間に複屈折層を有する被測定対象を設置する工程と、
２枚の偏光板間に第１の偏光板の透過方向と光学軸が一
致するように設定された位相板を設置する工程と、位相
板を回転させ２枚目の偏光板を透過する光量が極値とな
る位相板の回転角を測定する工程と、予め被測定対象物
の複屈折層ギャップ厚と位相板の回転角との関係を解析
的に求めた式に前記位相板の回転角の測定値を代入する
ことにより複屈折層ギャップ厚を算出する工程を備えて
いることを特徴とするものである。
【００１６】また、平行ニコル状態あるいは直交ニコル
状態に設定された２枚の偏光板間に被測定対象の液晶を
設置する工程と、液晶を回転させ２枚目の偏光板を透過
する光量が極値となるよう液晶を設定する工程と、２枚
の偏光板間に第１の偏光板の透過方向と光学軸が一致す
るように設定されたλ／２板を設置する工程と、λ／２
板を回転させ２枚目の偏光板を透過する光量が極値とな
るλ／２板の回転角を測定する工程と、予め被測定対象
物の複屈折層ギャップ厚とλ／２板の回転角との関係を
解析的に求めた式に前記λ／２板の回転角の測定値を代
入することにより複屈折層ギャップ厚を算出する工程を
備えていることを特徴とするものである。
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【作用】本発明は上記した構成によって、平行ニコル状
態あるいは直交ニコル状態に設定された２枚の偏光板間
に複屈折層を有する被測定対象を設置すると共に、２枚
の偏光板間に第１の偏光板の透過方向と光学軸が一致す
るように設定された位相板を設置し、位相板を回転させ
ると２枚目の偏光板を透過する光量が変化するため、透
過光量が極値となる位相板の回転角を測定することによ
り、この位相板の回転角から複屈折層ギャップ厚を計算
することができる。
【００２０】
【実施例】図１は本発明の第１の実施例における複屈折
層ギャップ厚測定方法を実現する基本光学構成を示すも
のである。図１において、１は波長λの単波長光源、２
は偏光板、３は被測定物の液晶であり、液晶３の常光屈
折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅとする。４は位相差δ
を有する位相板、６は偏光板、７は光検出器を示してい
る。
【００２１】以上のように構成された光学系において複
屈折層ギャップ厚測定方法を図２のフローチャートを用
いて説明する。
【００２２】まず、偏光板２と偏光板６を平行ニコルあ
るいは直交ニコル状態とする。次に、位相板４の光学軸
を偏光板２の透過軸と一致させる。そして、位相板４を
回転させ、光検出器７の検出強度が極値を取る回転角α
を測定する。
【００２３】そして、この回転角αを後述する（数１
１）に代入し、複屈折層（液晶層）ギャップ厚を計算に
より求めるものである。
【００２４】さて、この方法により複屈折層（液晶層）
ギャップ厚を測定できることを数式を用いて説明する。
【００２５】図３は、図１の光学系の座標を示してい
る。図３において、１０は偏光板２の透過軸を示し、ｘ
軸とのなす角をｅｔとする。１１は液晶３の入射側ラビ
ング方向を示し、ｘ軸とのなす角をφとする。１２は液
晶３の出射側ラビング方向を示し、液晶３のねじれ角を
θとする。１３は位相板５の光学軸を示し、ｘ軸とのな
す角をαとする。１４は偏光板６の透過軸を示し、ｘ軸
とのなす角をｅｘとする。
【００２６】このような座標系を考えると、偏光板２を
透過する光はジョーンズベクトルＡで表すと（数３）の
ように書ける。
【００２７】
【数３】
【００２８】また、液晶３のジョーンズマトリクスＢは
（数４）のように、位相板４のジョーンズマトリクスＣ
は（数５）のように、偏光板６のジョーンズマトリクス
Ｄは（数６）のように書ける。
【００２９】
【数４】
【００３０】
【数５】
【００３１】
【数６】
【００３２】従って、偏光板６を透過する光のジョーン
ズベクトルＥ（Ｅｘ、Ｅｙ）は（数７）のように書け、
光検出器７で検出される強度Ｆは（数８）のように書け
る。
【００３３】
【数７】
【００３４】
【数８】
【００３５】ここで、偏光板２の透過軸方位ｅｔ＝０と
しても一般性は保たれるので、ｅｔ＝０とする。そうす
ると、偏光板６の透過軸方位ｅｘは平行ニコルの場合は
ｅｘ＝０、直交ニコルの場合はｅｘ＝９０゜となる。
【００３６】平行ニコルの場合、光検出器７で検出され
る強度Ｆ１は（数９）、直交ニコルの場合、光検出器７
で検出される強度Ｆ２は（数１０）のように書ける。
【００３７】
【数９】
【００３８】
【数１０】
【００３９】次に、この検出強度Ｆ１、Ｆ２のシミュレ
ーションを行う。シミュレーション条件として（表１）
の値を用いた。
【００４０】
【表１】
【００４１】位相板４の位相差δをλ／８、λ／４、あ
るいはλ／２とし、偏光板２及び偏光板６を平行ニコル
あるいは直交ニコルとした場合に、位相板４の回転角α
と光検出器７で検出される強度との関係を図４〜９に示
す。図番と、偏光板２と偏光板６との偏光状態、位相板
４の位相差との関係を（表２）に示す。
【００４２】
【表２】
【００４３】図４〜９から分かるように、検出器７で検
出される光の強度は、位相板４の位相差、偏光状態に関
係無く、極値を持つことが分かる。この極値を取る位相
板４の回転角αは、（数９）、（数１０）をαで偏微分
することにより求まり、（数１１）、（数１２）のよう
に書ける。
【００４４】
【数１１】
【００４５】
【数１２】
【００４６】これら両式から、（数１１）、（数１２）
は同一の式であることがわかる。この（数１１）におい
て、液晶の複屈折度（ｎｅ−ｎｏ）、液晶のねじれ角
（θ）、液晶のラビング方向（φ）、測定波長（λ）、
位相板の位相差（δ）、極値をとる位相板回転角（α）
が既知であると、液晶のギャップ厚（ｄ）だけが未知な
方程式となり、（数１１）を解くことにより液晶層ギャ
ップ厚（ｄ）を求めることができる。
【００４７】この方法による、液晶層ギャップ厚の測定
精度は位相板３の回転角測定精度により決まり、０．０
５゜の回転角測定精度で、１０ｎｍのギャップ厚精度を
得ることができる。また、測定時間は、位相板４を数度
回転させる時間（１秒程度）ですむため、高速な測定が
可能となる。
【００４８】以上のように本実施例によれば、位相板３
を設け、位相板４を回転させることにより、光検出器７
で検出される強度が変化するため、この強度変化の極値
をとる回転角αを測定し、（数１１）を用いて、液晶層
ギャップ厚ｄを計算により高精度に求めることができ
る。
【００４９】このように、非常に簡単な光学系によりギ
ャップ厚を測定することができるため、安価な測定装置
を実現できる。また、高速に測定が可能なため、従来の
抜き取り検査から、全数検査にすることができるため製
造工程の歩留まり向上にも寄与できる。
【００５０】また、本実施例では、従来例と異なり、液
晶のねじれ角が９０゜以外の場合にも対応可能なため、
種々の液晶を測定できる。
【００５１】なお、この実施例では、単純な位相板をを
用いたが、位相板を組み合わせたバビネソレイユ補償板
を用いても良いことは言うまでもない。
【００５２】また、本実施例では、被測定対象として、
液晶を用いたが、これに限定されることはなく、複屈折
を有するものであれば、ギャップ厚を測定できることは
言うまでもない。
【００５３】図１０は本発明の第２の実施例における複
屈折層ギャップ厚測定方法を実現する基本光学構成を示
すものである。図１０において、図１と同一図番のもの
は実質的に同一機能のものを示す。１６は位相差λ／２
を有するλ／２板を示している。
【００５４】以上のように構成された光学系において、
複屈折層ギャップ厚測定方法を図１１のフローチャート
を用いて説明する。
【００５５】まず、偏光板２と偏光板６を平行ニコルあ
るいは直交ニコル状態とする。次に、液晶３を回転さ
せ、光検出器７の検出強度が極値を取る位置に設定す
る。
【００５６】次に、λ／２板１６の光学軸を偏光板２の
透過軸と一致させる。そして、λ／２板１６を回転さ
せ、光検出器７の検出強度が極値を取る回転角αを測定
する。
【００５７】そして、この回転角αを後述する（数１
８）に代入し、複屈折層（液晶層）ギャップ厚を計算に
より求めるものである。
【００５８】さて、この方法により、液晶のラビング方
向φが未知であっても、液晶層ギャップ厚を測定できる
ことを数式を用いて説明する。
【００５９】λ／２板１６が無い状態で、偏光板６を透
過する光のジョーンズベクトルＧ（Ｇｘ、Ｇｙ）は（数
１３）のように書け、光検出器７で検出される強度Ｈは
（数１４）の様に書ける。
【００６０】
【数１３】
【００６１】
【数１４】
【００６２】ここで、第１の実施例と同様に、偏光板２
の透過軸方位ｅｔ＝０としても一般性は保たれるので、
ｅｔ＝０とする。そうすると、偏光板６の透過軸方位ｅ
ｘは平行ニコルの場合はｅｘ＝０、直交ニコルの場合は
ｅｘ＝９０゜となる。
【００６３】平行ニコルの場合、光検出器７で検出され
る強度Ｈ１は（数１５）、直交ニコルの場合、光検出器
７で検出される強度Ｈ２は（数１６）のように書ける。
【００６４】
【数１５】
【００６５】
【数１６】
【００６６】（数１５）、（数１６）よりわかるよう
に、液晶３を回転させると、（数１５）、（数１６）の
第４項目が変化し、検出強度が変化する。
【００６７】この検出強度の極値を取るφの値は、（数
１５）、（数１６）をφで偏微分し０となるφを求める
ことにより求まり、（数１７）のようになる。
【００６８】
【数１７】
【００６９】この（数１７）を用いると、液晶のラビン
グ方向φに関係する、液晶のジョーンズマトリクスの要
素ｑ、ｓは（表３）のようになり、液晶のラビング方向
φと無関係となる。
【００７０】
【表３】
【００７１】この値を（数１１）に代入すると、左辺の
第１、第２項目は、ｑ、ｓの２乗、あるいは、ｑ×ｓの
項となるため、±の符号が除去される。しかし、第３項
目のｐｓ＋ｑｒの値に±の符号が残るため、液晶のギャ
ップ厚を一意に求めることができない。
【００７２】しかし、本実施例では、λ／２板１６を用
いているため、（数１１）の第３項目のｓｉｎ（δ）＝
ｓｉｎ（π）＝０となるため、±の符号に依存する項が
無くなるため、一意に液晶のギャップ厚を求めることが
できる。
【００７３】（数１１）の位相差δにπを代入し、（表
３）の関係を用いると、（数１８）となる。
【００７４】
【数１８】
【００７５】この（数１８）において、液晶の複屈折度
（ｎｅ−ｎｏ）、液晶のねじれ角（θ）、測定波長
（λ）、極値をとる位相板回転角（α）が既知である
と、液晶のギャップ厚（ｄ）だけが未知な方程式とな
り、（数１８）を解くことにより液晶層ギャップ厚
（ｄ）を求めることができる。
【００７６】以上のように本実施例によれば、第１の実
施例同様の効果が得られるのみならず、液晶３を回転さ
せ、極値をとるように設定することにより、液晶のラビ
ング方向が未知の場合にも、液晶３のギャップ厚を正確
に測定できる。
【００７７】図１２は本発明の第３の実施例における複
屈折層ギャップ厚測定装置の基本構成図を示すものであ
る。図１２において、１は波長λの単波長光源、２は偏
光板、３は被測定物の液晶であり、液晶３の常光屈折率
をｎｏ、異常光屈折率をｎｅとする。４は位相差δを有
する位相板、５は位相板４を回転させる位相板回転手
段、６は偏光板、７は光検出器、８は光検出器の信号を
基に位相板回転手段５を制御する制御手段、９は制御手
段８により位相板４の回転角より被測定物体の液晶３の
ギャップ厚ｄを計算し求める演算手段を示している。
【００７８】以上のように構成された光学系において複
屈折層ギャップ厚測定方法を図２のフローチャートを用
いて説明する。
【００７９】まず、偏光板２及び偏光板６を平行ニコル
あるいは直交ニコル状態とする。次に、位相板４の光学
軸を偏光板２の透過軸と一致させる。そして、制御手段
８と位相板回転手段５により位相板４を回転させ、光検
出器７の検出強度が極値を取る回転角αを測定する。こ
の回転角αを前述した（数１１）を用いて、演算手段９
により解くことにより、第１の実施例で述べたように複
屈折層（液晶層）ギャップ厚を計算により求めることが
できる。
【００８０】以上のように本実施例によれば、第１の実
施例と同様の効果が得られる。図１３は本発明の第４の
実施例における複屈折層ギャップ厚測定装置の基本構成
図を示すものである。
【００８１】図１３において、図１２と同一図番のもの
は実質的に同一機能のものを示す。１５は液晶３を回転
させる液晶回転手段、１６は位相差λ／２を有するλ／
２板、１７は光検出器７の信号を基に、液晶回転手段１
５及び位相板回転手段５を回転制御する制御手段、１８
は制御手段１７によりλ／２板１６の回転角より被測定
物体の液晶３のギャップ厚ｄを計算し求める演算手段を
示している。
【００８２】以上のように構成された光学系において複
屈折層ギャップ厚測定方法を図１１のフローチャートを
用いて説明する。
【００８３】まず、偏光板２及び偏光板６を平行ニコル
あるいは直交ニコル状態とする。次に、液晶３を液晶回
転手段１５に設置し、液晶３を制御手段１７と液晶回転
手段１５により回転させ、光検出器７の検出強度が極値
を取る位置に制御手段１７を用いて設定する。
【００８４】次に、λ／２板１６の光学軸を偏光板２の
透過軸と一致させる。そして、λ／２板１６を制御手段
１７と位相板回転手段５により回転させ、光検出器７の
検出強度が極値を取る回転角αを測定する。
【００８５】この回転角αを前述した（数１８）を用い
て、演算手段１８により解くことにより、第２の実施例
で述べたように複屈折層（液晶層）ギャップ厚を計算に
より求めることができる。
【００８６】以上のように本実施例によれば、第２の実
施例と同様の効果が得られる。
【００８７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態に設定された２
枚の偏光板間に複屈折層を有する被測定対象を設置する
と共に、２枚の偏光板間に第１の偏光板の透過方向と光
学軸が一致するように設定された位相板を設置し、位相
板を回転させると２枚目の偏光板を透過する光量が変化
するため、透過光量が極値となる位相板の回転角を測定
することにより、この位相板の回転角から複屈折層ギャ
ップ厚を計算することができる。
【００８８】このように、非常に簡単な光学系によりギ
ャップ厚を測定することができるため、安価な測定装置
を実現できる。また、高速に測定が可能なため、従来の
抜き取り検査から、全数検査にすることができるため製
造工程の歩留まり向上にも寄与できる。
【００８９】また、従来の手法では、液晶のねじれ角が
約９０゜でなければ測定不可能であったが、本発明を用
いることによりどのようなねじれ角であっても測定が可
能となる。
【００９０】また、本発明によれば、平行ニコル状態あ
るいは直交ニコル状態に設定された２枚の偏光板間に被
測定対象の液晶を設置し、液晶を回転させ２枚目の偏光
板を透過する光量が極値となるよう液晶を設定し、２枚
の偏光板間に第１の偏光板の透過方向と光学軸が一致す
るように設定されたλ／２板を設置し、λ／２板を回転
させると２枚目の偏光板を透過する光量が変化するた
め、透過光量が極値となるλ／２板の回転角を測定する
ことにより、液晶のラビング方向が未知の場合にもλ／
２板の回転角から複屈折層（液晶層）ギャップ厚を計算
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の複屈折層ギャップ厚測定
方法を実現する基本光学構成図
【図２】同実施例における測定方法のフロー図
【図３】同実施例における光学座標説明図
【図４】同実施例におけるシミュレーション結果を示す
図
【図５】同実施例におけるシミュレーション結果を示す
図
【図６】同実施例におけるシミュレーション結果を示す
図
【図７】同実施例におけるシミュレーション結果を示す
図
【図８】同実施例におけるシミュレーション結果を示す
図
【図９】同実施例におけるシミュレーション結果を示す
図
【図１０】本発明の第２実施例の複屈折層ギャップ厚測
定方法を実現する基本光学構成図
【図１１】同実施例における測定方法のフロー図
【図１２】本発明の第３実施例の複屈折層ギャップ厚測
定装置の基本構成図
【図１３】本発明の第４実施例の複屈折層ギャップ厚測
定装置の基本構成図
【図１４】従来の液晶層ギャップ厚測定方法を実現する
装置構成図
【図１５】同従来例における光学座標説明図
【符号の説明】
１ 光源 ２ 偏光板 ３ 液晶 ４ 位相板 ５ 位相板回転手段 ６ 偏光板 ７ 光検出器 ８ 制御手段 ９ 演算手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福井 厚司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−184207（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−147987（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01M 11/00 - 11/08 G02F 1/13

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態
    に設定された２枚の偏光板間に複屈折層を有する被測定
    対象を設置する工程と、２枚の偏光板間に第１の偏光板
    の透過方向と光学軸が一致するように設定された位相板
    を設置する工程と、位相板を回転させ２枚目の偏光板を
    透過する光量が極値となる位相板の回転角を測定する工
    程と、予め被測定対象物の複屈折層ギャップ厚と位相板
    の回転角との関係を解析的に求めた式に前記位相板の回
    転角の測定値を代入することにより複屈折層ギャップ厚
    を算出する工程を備えていることを特徴とする複屈折層
    ギャップ厚測定方法。
  2. 【請求項２】 平行ニコル状態あるいは直交ニコル状態
    に設定された２枚の偏光板間に被測定対象の液晶を設置
    する工程と、液晶を回転させ２枚目の偏光板を透過する
    光量が極値となるよう液晶を設定する工程と、２枚の偏
    光板間に第１の偏光板の透過方向と光学軸が一致するよ
    うに設定されたλ／２板を設置する工程と、λ／２板を
    回転させ２枚目の偏光板を透過する光量が極値となるλ
    ／２板の回転角を測定する工程と、予め被測定対象物の
    複屈折層ギャップ厚とλ／２板の回転角との関係を解析
    的に求めた式に前記λ／２板の回転角の測定値を代入す
    ることにより複屈折層ギャップ厚を算出する工程を備え
    ていることを特徴とする複屈折層ギャップ厚測定方法。
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