JP3507319B2

JP3507319B2 - 光学的特性測定装置

Info

Publication number: JP3507319B2
Application number: JP33753797A
Authority: JP
Inventors: 隆史鈴木; 美紀大嵜
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-12-08
Filing date: 1997-12-08
Publication date: 2004-03-15
Anticipated expiration: 2017-12-08
Also published as: US6215549B1; JPH11173946A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には、被検
体の界面近傍における光学的特性を測定する光学的特性
測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光の全反射を利用して種々の
光学的特性を測定する方法としては、以下のものが知ら
れている。ＴＩＲ法（全反射法、Ｊ．Ｚ．Ｘｕｅ，Ｎ．Ａ．Ｃ
ｌａｒｋａｎｄＭ．Ｒ．Ｍｅａｄｏｗｓ，Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５３，ｐ．２３９７（１９８
８））校正曲線法（特開平６−８２２３９号公報）以下、それぞれの方法を利用した光学的特性測定装置の
一例として、液晶素子におけるプレティルト角の算出を
行う光学的異方性測定装置について説明する。 −１ＴＩＲ法を利用した光学的異方性測定装置（従
来例１）図１は、ＴＩＲ法を利用した光学的異方性測定装置の構
造の一例、並びに光学的異方性測定方法を示す模式図で
ある。この光学的異方性測定装置１は、半球状のガラス
部材（以下、“半球ガラス”とする）２を備えており、
この半球ガラス２は、図２に詳示するように平面部２ａ
と球面部２ｂとを有している。そして、この平面部２ａ
に対向する位置にはガラス基板３が配置されているが、
これらのガラス基板３及び平面部２ａの表面には透明電
極５や配向膜６がそれぞれ形成されている。また、ガラ
ス基板３と平面部２ａとはシール部材７によって貼り合
わされており、それらの間には、被検体としての液晶９
が挟持されている。

【０００３】なお、この半球ガラス２は、不図示の回転
装置によって支持されており、その平面部２ａと直交す
る回転軸Ｃを中心に回転するように構成されている。ま
た、半球ガラス２の屈折率は、配向膜６や液晶９の屈折
率よりも大きいように設定されており、配向膜６の膜厚
は、照射される光束Ａ１（詳細は次述）の波長よりも薄
く設定されている。

【０００４】一方、この半球ガラス２の片側（図示左側
下方）にはＨｅ−Ｎｅレーザ装置１０が配置されてお
り、平面部２ａに対して斜め下から光束Ａ１（以下、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザ装置１０から出射されて液晶９に入射さ
れる光束Ａ１を“入射光束Ａ１”とする）を出射するよ
うに構成されている。また、半球ガラス２の他側（図示
右側下方）には光検知器１１が配置されており、液晶９
の界面にて全反射された光束Ｂ１（以下、このように全
反射される光束Ｂ１を“反射光束Ｂ１”とする）を検知
するように構成されている。

【０００５】さらに、半球ガラス２とＨｅ−Ｎｅレーザ
装置１０との間には偏光子１２が配置されており、Ｈｅ
−Ｎｅレーザ装置１０からの入射光束Ａ１を直線偏光す
るように構成されている。またさらに、半球ガラス２と
光検知器１１との間には検光子１３が配置されており、
この検光子１３は、偏光子１２と直交する偏光方向を有
している。

【０００６】次に、上述した光学的異方性測定装置１に
よる光学的異方性測定方法（プレティルト角の算出方
法）について説明する。

【０００７】Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置１０から出射された
入射光束Ａ１は、偏光子１２によって全反射面への入射
面に対しｐ偏光に直線偏光された上で半球ガラス２に入
射される。そして、この入射光束Ａ１は、透明電極５と
配向膜６との界面にて全反射され、その全反射の際に発
生したエバネッセント光は、液晶９の内部に一旦侵入し
た後に反射される。なお、このエバネッセント光は、界
面近傍の液晶分子の光学的異方性によりその偏光状態が
変化する。

【０００８】そして、半球ガラス２から出射された反射
光束Ｂ１は、偏光子１２と直交する偏光方向を有する成
分（ｓ偏光成分）のみが検光子１３を通過し、光検知器
１１に到達する。

【０００９】いま、半球ガラス２をガラス基板３等と共
に回転軸Ｃを中心にして回転させた場合、入射光束Ａ１
の電場ベクトルの向きに対し、液晶９の液晶分子の向き
を表す単位ベクトルであるダイレクタの向きが相対的に
変化する。このため、半球ガラス２の回転角に応じて、
半球ガラス２から出射される反射光束Ｂ１の偏光状態が
変化する。そして、半球ガラス２の回転角に対して光検
知器１１の出力をプロットすると、例えば図３に示すよ
うな液晶の光学的異方性を示す特性曲線が得られる。こ
こで、強度の極大値をＩｍａｘとし、極小値をＩｍｉｎ
とした場合、それらの比（Ｉｍａｘ／Ｉｍｉｎ）からプ
レティルト角の大きさを算出することができる。なお、
プレティルト角が大きいとＩｍａｘ／Ｉｍｉｎは小さく
なり、プレティルト角が小さいとＩｍａｘ／Ｉｍｉｎは
大きくなる。

【００１０】このように、上述した光学的異方性測定装
置１は、全反射の際に生ずるエバネッセント光と液晶分
子との相互作用に伴う反射光束Ｂ１の偏光状態の変化か
ら、液晶９の光学的異方性を測定しプレティルト角を算
出するものである。

【００１１】ところで、上記光学的異方性測定装置１に
おける測定領域の大きさ（短径が約０．６mmで長径が約
３mm程度の楕円形）は、ディスプレイ等に用いられる一
般的な液晶素子の１つの画素の大きさ（３０〜５０μｍ
角）に比べて大きく、１つの画素における配向状態を画
素単位に測定して画素間の配向状態を比較することがで
きなかった。また、１つの画素における配向状態のムラ
を検知することもできなかった。さらに、例えば８μｍ
以下の微小欠陥を発見することもできず、欠陥発生部分
と他の部分との配向状態の比較も困難であった。そのた
め、液晶９の配向状態を正確に検知することができず、
また、欠陥発生のメカニズムの解明が困難であった。 −２ＴＩＲ法を利用した光学的異方性測定装置（従
来例２）そこで、図４に示すように、Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置１０
と半球ガラス２との間に入射側光学系２１を配置し、入
射光束Ａ１を収束させて測定領域の微小化（長径が約１
０〜３０μｍ程度）を図った装置２０が提案されている
（特開平９−１０５７０４号公報）。なお、図中の符号
２２は液晶素子を示し、符号Ａ２は、入射側光学系２１
によって収束された入射光束を示す。

【００１２】本装置２０においては、測定領域径（長
径）は８μｍ程度であった。 −３ＴＩＲ法を利用した光学的異方性測定装置（従
来例３）従来例１においては、半球ガラス２に直接配向膜６を形
成すると共に、この配向膜６にはラビング処理を施して
いるが、良好な試料を作成することは極めて困難であっ
た。

【００１３】そこで、液晶素子と半球ガラス２とを別体
として、良好な試料の作成を可能とした装置が提案され
ている（特開平９−１０５７０４号公報）。なお、この
装置においては液晶素子が半球ガラス２に対して移動可
能となるため、プレティルト角のバラツキの測定が可能
となる（Ｙ．Ｏｈｓａｋｉ，Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ，ｉｎＴ
ｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ，Ｔｈｅ５ｔｈＭ
ｉｃｒｏｏｐｔｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＭＯ
Ｃ′９５Ｈｉｒｏｓｈｉｍａ），Ｇ１０，ｐ．１４
４）。 −４ＴＩＲ法を利用した光学的異方性測定装置（従
来例４）また、従来例２では測定領域径（長径）が８μｍ程度で
あるが、より一層の微小化が望まれ、図５に示すような
光学的異方性測定装置３０が、特願平９−１４８２８３
号にて提案されている。

【００１４】この光学的異方性測定装置３０は半球ガラ
ス２を上下に２つ備えている（以下、特に区別するとき
は“上側半球ガラス２”及び“下側半球ガラス２”とす
る）。これらの半球ガラス２は、平面部２ａと球面部２
ｂとをそれぞれ有しており、これらの平面部２ａ，２ａ
が所定距離を開けて対向するように、配置されている。

【００１５】また、これらの半球ガラス２の間には液晶
素子２２が配置されている。この液晶素子２２は、図６
に詳示するように、一対のガラス基板２３を有してお
り、これらのガラス基板２３の表面には透明電極５や配
向膜６がそれぞれ形成されている。また、これらのガラ
ス基板２３はシール部材７によって貼り合わされてお
り、それらの間には、被検体としての液晶９が挟持され
ている。

【００１６】さらに、液晶素子２２と各半球ガラス２と
の間には、それらとほぼ等しい屈折率の屈折率マッチン
グ液２５が充填されており、液晶素子２２と各半球ガラ
ス２との間の界面で反射が生じないように構成されてい
る。

【００１７】一方、偏光子１２と下側半球ガラス２との
間には入射側光学系３１が配置されている。そして、Ｈ
ｅ−Ｎｅレーザ装置１０や偏光子１２や入射側光学系３
１は、一部の光束Ａ３が、臨界角θｃよりも小さな角度
で入射されるように配置されている。なお、この光束Ａ
３の一部は液晶９を透過するが、このように液晶９を透
過する光束を“透過光束Ｂ３”とする。

【００１８】また一方、下側半球ガラス２を挟んで反対
側には、出射側光学系（第２の受光系）３２や検光子１
３や光検知器１１が配置されており、液晶界面で全反射
された反射光束Ｂ２を光検知器１１によって検知して、
光学的異方性を測定し、液晶界面での配向状態を検知で
きるように構成されている。

【００１９】本装置３０においても、上記従来例１と同
様の方法によってプレティルト角を算出できる。

【００２０】但し、測定に供される光束は、臨界角θｃ
よりも大きな角度で液晶界面に入射されて全反射される
光束Ｂ２である。また、一部の光束Ａ３は、臨界角θｃ
よりも小さな角度で液晶９に入射するので、全反射する
ことなく、大部分が液晶９を透過して透過光束Ｂ３とな
り、残りが通常の反射光となる。ここで、この通常の反
射光は全反射したエバネッセント光とは異なり、偏光状
態が変化していないため、検光子１３を透過することが
できず、光検知器１１に検知されない。また、液晶素子
２２の上側には、屈折率マッチング液２５を挟んで、球
面部２ｂに反射防止膜を施した上側半球ガラス２が配置
されているため、透過光束Ｂ３は、それらの界面で反射
されることもなく、したがって光検知器１１に検知され
ることもない。

【００２１】一方、本装置３０においては、一部の光束
Ａ３が臨界角θｃよりも小さな角度で入射されるように
構成されているため、Ｎ．Ａ．（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が大きくなり、液晶界面での光束照
射領域は従来の楕円形状から円形状に近づくこととな
る。したがって、液晶９に入射される光束Ａ２は従来よ
りもさらに収束され（具体的には、光束径を２μｍ以下
にすることも可能となる）、それに伴って測定領域も微
小化される。

【００２２】すなわち、このようなコヒーレント照明に
おいて、入射光学系３１のレンズのＦＮｏ．をＮとし、
入射光束Ａ２の波長をλとし、ガラス基板２３の屈折率
をｎとした場合、焦点（測定領域）の直径は、

【００２３】

【式１】で与えられる。ここで、液晶９の屈折率を１．５、半球
ガラス２及びガラス基板２３の屈折率を１．８とすれ
ば、全反射の臨界角θｃはｓｉｎθｃ＝１．５／１．
８、すなわちθｃ＝５６．４°となる。また、λ＝０．
６３μｍ、入射角θ＝４５°とすれば、焦点（測定領
域）の直径は、Ｎ＝１のとき約０．８μｍとなり、Ｎ＝
１．５のとき約１．１μｍとなる。

【００２４】このように測定領域の大きさが、液晶素子
の１つの画素の大きさに比べてかなり微小化されるた
め、１つの画素におけるプレティルト角の分布や、長さ
が５〜１０μｍ程度の微小な欠陥の内部やその近傍にお
ける液晶９の配向状態を測定できる。したがって、本装
置３０は、液晶９や配向膜６の開発にとどまらず、配向
法そのものの開発にとって極めて有力な手段となる。 −１校正曲線法を利用した光学的異方性測定装置
（従来例５）本装置は、全反射を利用するため上記従来例１の装置
（図１）とほぼ同様の構造であるが、半球ガラス２を回
転させる必要が無い点で異なる。また、検光子１３は不
必要である。そして、ｐ偏光とｓ偏光のそれぞれを入射
光束Ａ２としたときの全反射光の反射率を測定し、それ
らの対数の比（吸光度の二色比）を計算する。その値
を、予め別のプレティルト角測定法によって求めておい
た二色比とプレティルト角との関係を示す校正曲線に照
らし合わせ、プレティルト角の値を得る。従って、光源
としては、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１０ではなく、液晶の吸
収スペクトルに対応して赤外光源や紫外光源が用いられ
る。用いる光の波長に対応して、半球ガラス２の材料
も、赤外光の場合はシリコン、ゲルマニウムなど、紫外
光の場合はサファイアが用いられる。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来例４の光学的異方性測定装置３０は、測定領域を微小
化できる等、従来例１乃至３の装置には無い利点を有し
ている一方で、液晶素子２２の上側にも半球ガラス２が
配置されているため、液晶素子２２の上方から観察して
も、測定領域の位置を確認しにくいという問題があっ
た。

【００２６】なお、上側半球ガラス２を取り外した状態
で測定領域の位置設定をし、その後、上側半球ガラス２
を取り付けた状態でプレティルト角の測定を行う方法も
考えられるが、その測定作業が煩雑になり、しかも、上
側半球ガラス２を取り付ける段階で位置ズレが生じるお
それがあるという問題があった。特に、従来例４のよう
にレンズのＦＮｏ．Ｎが小さい場合には、焦点の位置が
界面よりも少し光軸方向にずれただけで測定領域の面積
が大きく変わってしまい、測定精度が悪くなるという問
題があった。

【００２７】また、作動距離の長い顕微鏡対物レンズを
用い、上側半球ガラス２を設置したまま、該半球ガラス
２を介して照明領域（測定領域）を観察する方法も考え
られる。しかし、この方法では、半球ガラス２の大きさ
や、顕微鏡対物レンズの倍率が制約を受けてしまい、装
置の価格が高くなったり、測定時の作業性が劣るという
問題があった。

【００２８】そこで、本発明は、測定領域の位置確認を
可能とする光学的特性測定装置を提供することを目的と
するものである。

【００２９】

【００３０】

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記事情を考慮
してなされたものであり、被検体と、該被検体に光束を
照射する第１光源と、該第１光源からの光束を前記被検
体の特定界面に収束させる入射側光学系と、を備えて、
前記被検体の光学的特性を測定する光学的特性測定装置
において、前記第１光源から出射されて前記被検体を透
過してきた光を受光する第１の受光系、を備え、該第１
の受光系が受光する光は、前記被検体を照明する光束に
より該被検体内に生じると共に該被検体が有する光学的
不均質性により進行方向を曲げられたエバネッセント光
である、ことを特徴とする。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、図７乃至図１０を参照し
て、本発明の実施の形態について説明する。なお、図１
乃至図６に示すものと同一部分は同一符号を付して説明
を省略する。

【００３３】本実施の形態に係る光学的特性測定装置５
０は、図７に示すように、光学的特性が測定される対象
である被検体９と、該被検体９に光束Ａ１を照射する第
１光源１０と、を備えている。また、この光学的特性測
定装置５０は、該第１光源からの光束Ａ１を直線偏光す
る偏光子１２と、前記光束Ａ１を収束させる入射側光学
系５１と、を備えている。ここで、入射側光学系５１の
光軸と、前記被検体の特定界面（被検体９の下側界面）
に立てた法線とのなす角をθとする。さらに、前記被検
体の特定界面にて全反射された光束Ｂ２の光路中には検
光子１３が配置されている。またさらに、検光子１３の
近傍には第２の光検知器１１が配置されていて、該検光
子１３を通過した光束Ｂ２を受光するようになってい
る。

【００３４】なお、第１光源１０としては、集光可能な
光束を出射するものであればどのようなものでも良く、
レーザ装置（例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置やＡｒレー
ザ装置や半導体レーザ装置）でも、レーザ装置以外でも
良い。また、入射側光学系５１は、第１光源１０からの
平行光束Ａ１を発散させるレンズ５２と、該発散された
光束を収束させるレンズ５３と、によって構成しても良
い。

【００３５】さらに、上述した被検体９と第２の光検知
器１１との間に出射側光学系５４を配置し、前記特定界
面で全反射されてきた光束Ｂ２（以下、“反射光束Ｂ
２”とする）を平行光束に変換するようにしてもよい。
この場合、出射側光学系５４は、反射光束Ｂ１を収束さ
せるレンズ５５と、該収束された光束を平行光束に変換
するレンズ５６と、によって構成すればよい。

【００３６】一方、前記第１光源１０及び前記入射側光
学系５１は、前記入射光束の一部Ａ３が、前記特定界面
における臨界角θｃよりも小さな角度で前記被検体９に
照射されるように、配置されている。従って、光束Ａ３
は被検体９を通過し上側のガラス基板２３と空気との界
面に到達するが、ガラス基板の屈折率を１．８とする
と、この界面での全反射角は３３．７°となるので、光
束Ａ３の一部はこの界面で全反射される。結局、この界
面で、光束Ａ３の一部は、被検体９の側に反射され、残
りは透過光束Ｂ６となる。

【００３７】また一方、前記被検体９と前記第２の光検
知器１１との間にはフィルター手段５７が配置されてお
り、前記特定界面にて全反射されてきた光束Ｂ２を通過
させると共に、該特定界面以外の界面、特に、光束Ａ３
の一部が上側ガラス基板２３と空気との界面で反射され
てきた光束Ｂ４を通過させないように構成されている。

【００３８】ここで、フィルター手段５７は、前記特定
界面以外の界面にて反射されてきた光束Ｂ４の光路中に
配置された遮蔽部５７ａ（例えば、板状の部材）を有し
ており、この遮蔽部５７ａによって前記光束Ｂ４を遮蔽
するようになっている。なお、この遮蔽部５７ａを、前
記特定界面にて全反射されてきた光束Ｂ２の光路を囲む
ように配置すると共に、該光束Ｂ２の光路に相当する部
分に孔部５７ｂを形成し、該孔部５７ｂによって光束Ｂ
２を通過させるようにしてもよい。この孔部５７ｂは、
レンズ５５によって光束Ｂ２が集光される位置に形成す
ることが好ましい。

【００３９】一方、前記被検体９は、透明な被検体保持
手段２によって保持するようにしてもよい。この場合、
被検体保持手段２を、平面部２ａと球面部２ｂとを有す
るように略半球状に構成し、入射光束Ａ２が前記被検体
保持手段２を介して前記被検体９に照射されるようにし
ても良い。この被検体保持手段２としては、被検体９の
屈折率よりも大きい材質のものが好適であり、被検体９
が液晶の場合には、１．７以上（好ましくは１．７５以
上）の屈折率を有する材質のもの（例えば、重フリント
ガラス等）を用いれば良い。

【００４０】また一方、図８に示すように、光束Ａ２を
絞り込むことのできる絞り手段６１を、入射側光学系５
１と被検体９との間に設けてもよい。これにより、光束
Ａ２を絞ることによって測定領域を大きくし、光束Ａ２
を絞らないことによって該領域を微小にでき、測定領域
の大きさを必要に応じて調整できる。なお、この絞り手
段６１としては可変絞りを挙げることができる。また、
異なる大きさの小孔を有する固定絞りを複数用意してお
き、それらを差し替える方式のものでも良い。

【００４１】一方、被検体９の上方に第１の受光系とし
て顕微鏡５８を配置し、測定領域の位置を観察できるよ
うにしても良い。図中の符号５８ａは対物レンズを示
し、５８ｂは接眼レンズを示す。肉眼で観測する代わり
に、ＣＣＤなどを第１の光検知器として顕微鏡に取り付
けて観察することもできる。

【００４２】被検体９としては、液晶を挙げることがで
き、本装置によって液晶の光学的異方性を測定し、その
プレティルト角を算出するようにしてもよい。この液晶
を保持する方法としては、＊前記被検体保持手段の平面部２ａに対向する位置に
透光性基板２３を配置し、該透光性基板２３と前記平面
部２ａとの間に前記液晶９を挟持させる方法、＊前記液晶９を一対の透光性基板２３の間に挟持させ
て液晶素子２２を構成し、該液晶素子２２を前記被検体
保持手段２に保持させる方法、が挙げられる。後者の場
合には、透光性基板２３と被検体保持手段２との間に、
それらとほぼ等しい屈折率の屈折率マッチング液２５を
充填し、透光性基板２３と被検体保持手段２との界面で
反射が生じないようにするとよい。その場合、液晶素子
２２を、不図示の移動装置にて移動自在に支持し、被検
体保持手段２に対して相対移動できるように構成すると
良い。さらに、この移動装置にマイクロメーターを付設
して液晶素子２２の移動距離を測定するようにすると良
い。

【００４３】一方、上述した液晶を、所定の信号を印加
して駆動できるようにしてもよい。

【００４４】第２の光検知器１１としては、オプティカ
ルパワーメーター、フォトマルチプライヤー等が用いら
れるが、ダイナミックレンジの広いものが好ましい。

【００４５】次に、ＴＩＲ法に基づく光学的特性測定方
法について説明する。

【００４６】第１光源１０から出射された光束Ａ１は、
偏光子１２を通過することによって直線偏光され、入射
側光学系５１を通過することによって収束され、被検体
９に入射される。

【００４７】そして、この光束Ａ２の一部（Ａ３以外）
は、臨界角θｃよりも大きな角度で前記特定界面に入射
され、その界面で全反射される。また、この全反射の際
には入射光が被検体９の内部に一旦エバネッセント光と
して侵入するので、被検体９に光学的異方性が存在する
場合は、それによって偏光状態が変化された後に反射光
として出射される。

【００４８】そして、このように反射された反射光束Ｂ
２は、検光子１３によって、偏光子１２と直交する偏光
方向を有する成分のみが抽出され、第２の光検知器１１
に受光される。これにより、被検体９の特定界面近傍に
おいて、複屈折性等の光学的特性を測定できる。

【００４９】このとき、反射光束Ｂ２は小孔５７ｂを通
過するため、フィルター手段５７によって遮断されな
い。なお、検光子１３に到達する光束Ｂ２には、被検体
９にて偏光状態が変化された光のみならず、偏光状態が
変化されないまま前記特定界面にて反射された光も僅か
に含まれるが、偏光状態が変化されていない光は、検光
子１３を透過することができず、第２の光検知器１１に
検知されない。

【００５０】この状態で被検体９を回転軸Ｃを中心にし
て回転させ、該回転角に対する光検知器１１の出力（光
強度Ｉ）をプロットすると、例えば図３に示したような
特性曲線が得られる。そして、被検体９が液晶の場合に
は、光強度の極大値Ｉｍａｘと極小値Ｉｍｉｎとの比
（Ｉｍａｘ／Ｉｍｉｎ）より、プレティルト角を算出で
きる（Ｈ．Ｐ．Ｈｉｎｏｖｅｔ．ａｌ．，Ｒｅｖｕｅ
Ｐｈｙｓ．Ａｐｐｌ．１５（１９８０）１３０７−１
３２１、及び、ＪｉｕｚｈｉＸｕｅｅｔ．ａｌ．，
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５３（１９８８）２３
９７−２３９９）。

【００５１】また一方、測定領域においては上述のよう
にエバネッセント光が発生するが、このエバネッセント
光は被検体９に不均質性が存在すると、それにより散乱
／回折されるため、進行方向を曲げられ、被検体９の上
方から観察することが可能となる。このことは、本装置
５０においては、第１光源１０、入射側光学系５１、第
１の受光系５８及び不図示の被検体移動装置があれば、
エバネッセント光を含む局所的な照明光で照明すること
によって、被検体９の不均質性の分布が、高い分解能で
調べられることを意味する。特に、照明光の内、被検体
９をそのまま透過して来た光束Ｂ６が、第１の受光系５
８に入射しない場合は、暗視野照明の下での測定とな
り、被検体９の不均質性の分布が高いコントラストで観
測できる。言い換えるなら、上に示した要素系のみから
エバネッセント光を含む局所的な照明光で被検体９を走
査する光走査型顕微鏡が得られる。その場合、受光系を
通過した光束を光検知器で検出すると良い。

【００５２】被検体９が液晶である場合、配向膜６には
不均質性が存在するので、そこからの散乱／回折光を、
被検体９の上方から観測することにより測定領域の位置
確認ができる。この位置確認は、第１の受光系５８とし
て顕微鏡を使い肉眼で行ってもよく、またＣＣＤなどを
光検知器とするＴＶカメラによって行ってもよい。

【００５３】図９は、液晶素子２２のスイッチング特性
をも測定するための光学的特性測定装置の構造の一例を
示す図である。この光学的特性測定装置７０において
は、被検体９の下方に第２光源７１や偏光子７２やレン
ズ７３が配置されており、測定領域に収束光を照射する
ように構成されている。また、第１の受光系５８の上方
には検光子７５や第１の光検知器７６が配置されてお
り、第２光源７１から出射され液晶９によって偏光方向
を変えられてきた光を検光子７５を通過させ、第１の光
検知器７６によって検出するようになっている。

【００５４】一方、図１０に示すように、顕微鏡対物レ
ンズ５８ａのＮ．Ａ．を大きくすると共に、対物レンズ
５８ａと接眼レンズ５８ｂとの間に可変絞り８１を設け
るようにしても良い。これにより、顕微鏡５８の視野の
明るさを調整して、より正確に測定領域の位置確認をす
ることができる。以下、その理由について説明する。

【００５５】すなわち、被検体９から上方へは散乱光Ｂ
５と透過光Ｂ６とが出射されるが、顕微鏡対物レンズ５
８ａのＮ．Ａ．が小さい場合には、図７等に示すよう
に、対物レンズ５８ａを透過する光は散乱光Ｂ５のみで
ある。この場合、測定領域が比較的広くて散乱光Ｂ５を
発生させる不均質部分（例えば、被検体９として液晶を
用いる場合には、配向プロセスによって配向膜６に残る
跡）が多く存在すれば、散乱光Ｂ５のみでも顕微鏡視野
は充分に明るいため特に問題は生じないものの、測定領
域が微小の場合にはそのような不均質部分が存在する確
率は小さくなり、顕微鏡５８の視野が暗くなって位置確
認が困難になるという問題があった。

【００５６】これに対して、上述のように顕微鏡対物レ
ンズ５８ａのＮ．Ａ．を大きくした場合には、図１０に
示すように、散乱光Ｂ５のみならず透過光Ｂ６も対物レ
ンズ５８ａを透過することとなり、顕微鏡５８の視野の
光量は多くなる。そして、上記可変絞り８１によって透
過光Ｂ６を遮ることが可能であるため、顕微鏡５８の視
野の光量を最適なものに調整でき、測定領域の大小にか
かわらず測定領域の位置確認を正確に行うことができ
る。

【００５７】なお、顕微鏡対物レンズ５８ａのＮ．Ａ．
を大きくするだけで、上述のような可変絞り８１を設け
なくとも良い。市販の顕微鏡対物レンズには各大きさの
Ｎ．Ａを持ったレンズが取り揃えられているので、適度
に散乱光Ｂ５を透過させるようなＮ．Ａ．を持った対物
レンズを選択して用いれば良い。但し、既に述べたよう
に、被検体９の持つ不均質分布を調べる目的で、暗視野
照明を必要とする場合は絞り８１があると便利である。

【００５８】以上はＴＩＲ法に基づく光学的特性の測定
方法について述べたが、校正曲線法に基づいて光学的特
性を測定するようにしてもよい。この場合、被検体保持
手段２の回転装置と、検光子１３とは不要である。な
お、図示の部分によって得られたデータをコンピュータ
ーで処理する不図示の部分は、ＴＩＲ法におけるそれと
は当然異なったものとなる。

【００５９】次に、本実施の形態の効果について説明す
る。

【００６０】本実施の形態において、入射光束の一部
Ａ３が、前記特定界面における臨界角θｃよりも小さな
角度で前記被検体９に照射されるように構成した場合に
は、前記特定界面での測定領域（光束照射領域）を円形
状に近づけ、かつ微小化できる。

【００６１】また、前記被検体９の上方に第１の受光系
５８を設けることにより、被検体９の持つ不均質性が高
分解能で観測できるばかりでなく、第１の受光系５８の
Ｎ．Ａ．を選択することにより、暗視野照明下で上記不
均質性の分布を高コントラストで観測できる。

【００６２】さらに、前記被検体９及び前記第２の光検
知器１１の間にはフィルター手段５７が配置されてお
り、前記特定界面にて全反射されてきた光束Ｂ２を通過
させると共に、該特定界面以外の界面にて反射されてき
た光束Ｂ４を通過させないように構成されているため、
前記第２の光検知器１１は、前記特定界面にて全反射さ
れてきた光束Ｂ２だけを受光することとなり、その結
果、光学的特性の測定が正確となる。

【００６３】また、フィルター手段５７を上述のように
配置したため従来例４にて述べたような上側半球ガラス
２が不要となる。その結果、測定領域の位置確認をした
後に上側半球ガラス２を取り付けたりする必要がなく、
簡単に、しかも精度良く測定領域の位置確認ができる。

【００６４】ところで、従来例４のように、半球ガラス
２を上下に配置した構造のものでは、測定領域を移動す
る場合には上下の半球ガラスを一体として固定したまま
液晶素子２２のみを移動させなければならず、移動装置
の構造が大型化・複雑化するという問題があった。しか
し、本実施の形態によれば、上側半球ガラス２が不要で
あるため移動装置の構造が簡単となる。

【００６５】一方、上述のように液晶素子２２を移動で
きるようにした場合には、測定領域を変更することによ
り光学的特性の分布ムラ等を容易に検知できる。また、
マイクロメーターを付設して液晶素子２２の移動距離を
測定するようにした場合には、測定した光学的特性と測
定領域の位置とを関連付けることができる。

【００６６】ところで、測定領域が小さい場合には、測
定精度を維持するために事前の調整作業を高い精度で行
う必要がある。したがって、測定領域が小さくなくてよ
い場合には、調整作業を高い精度で行わなければならな
い分だけ却って測定作業が煩雑になるという問題が生ず
る。ここで、入射側光学系５１と被検体９との間に可変
絞り６１を設けた場合には、測定領域の大きさを調整で
き、測定作業の効率を高めることができる。

【００６７】一方、図９に示す装置７０を液晶のプレテ
ィルト角測定に用いると共に、該測定に際して液晶を駆
動させた場合には、第２の光検知器１１によって液晶界
面近傍のみの液晶のスイッチング特性を測定でき、第１
の光検知器７６によってバルクとしてのスイッチング特
性を測定できる。したがって、これらの測定結果を比較
することにより液晶素子開発上有効な情報が得られる。
また、これらのスイッチング特性と、測定しておいたプ
レティルト角とを比較照合することにより、液晶素子の
性能と関連づけて、配向技術や、液晶材料そのものの開
発を行うことができる。

【００６８】

【実施例】（実施例１）本実施例においては、図７に示
すように、被検体保持手段２として半球状のガラス部材
（以下、“半球ガラス２”とする）を用いた。そして、
この半球ガラス２の平面部２ａには液晶素子２２を載置
した。この液晶素子２２は、一対のガラス基板２３の表
面に透明電極５や配向膜６を形成し、それらの間隙に液
晶（被検体）９を挟持させて構成した。なお、この液晶
素子２２と半球ガラス２との間には屈折率マッチング液
２５を充填した。

【００６９】また、第１光源１０としてはＨｅ−Ｎｅレ
ーザ装置を使用し、半球ガラス２と第２の光検知器１１
との間には出射側光学系５４を配置した。さらに、出射
側光学系５４のレンズ５５とレンズ５６との間には、遮
蔽部５７ａと孔部５７ｂとからなるフィルター手段５７
を配置した。

【００７０】また、液晶素子２２の上方には顕微鏡５８
を配置し、測定領域の位置を観察できるようにした。

【００７１】そして、本装置５０を用いて液晶素子２２
のプレティルト角を算出したところ、上記実施の形態と
同様の効果が得られた。（実施例２）本実施例においては、図８に示すように、
入射側光学系５１と半球ガラス２との間に可変絞り（絞
り手段）６１を配置し、入射光束Ａ２を絞り込めるよう
にした。その他の構成は、上記実施例１と同様とした。

【００７２】本実施例によれば、上記実施の形態と同様
の効果が得られた。（実施例３）本実施例においては、図９に示すように、
半球ガラス２の下方に第２光源７１や偏光子７２やレン
ズ７３を配置して、測定領域に収束光を照射するように
した。また、第１の受光系５８の上方には検光子７５や
第１の光検知器７６を配置して、第２光源７１から出射
され駆動下の液晶素子２２にて偏光方向を変えられてき
た光を第１の光検知器７６によって実時間で検出するよ
うにした。同時に、第１光源１０から出射され、液晶９
の前記特定界面で全反射された光も第２の光検知器１１
によって実時間で検出するようにした。その他の構成
は、上記実施例１と同様とした。

【００７３】本実施例によれば、前記特定界面近傍のみ
の液晶のプレティルト角及びスイッチング特性と、バル
クとしての液晶のスイッチング特性とを比較検討するこ
とが可能となった。（実施例４）本実施例においては、図１０に示すよう
に、顕微鏡対物レンズ５８ａのＮ．Ａ．を大きくすると
共に、対物レンズ５８ａと接眼レンズ５８ｂとの間に可
変絞り８１を設けた。その他の構成は、上記実施例１と
同様とした。

【００７４】本実施例によれば、顕微鏡５８の視野の明
るさを調整して、より正確に測定領域の位置確認をする
ことができる。

【００７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
被検体の上方に設けた第１の受光系を通し観測すること
により被検体の不均質分布を高分解能で観測できると同
時に、第１の受光系のＮ．Ａ．を調節することにより、
実質的に暗視野照明となるようにした場合、高コントラ
ストでの観測が可能となる。

【００７６】

【００７７】

【００７８】

【００７９】

【図面の簡単な説明】

【図１】ＴＩＲ法を利用した光学的異方性測定装置の構
造の一例、並びに光学的異方性測定方法を示す模式図。

【図２】ＴＩＲ法を利用した光学的異方性測定装置の詳
細構造を示す模式図。

【図３】液晶の光学的異方性を示す特性曲線の図。

【図４】ＴＩＲ法を利用した光学的異方性測定装置の構
造の他の例、並びに光学的異方性測定方法を示す模式
図。

【図５】ＴＩＲ法を利用した光学的異方性測定装置の構
造のさらに他の例、並びに光学的異方性測定方法を示す
模式図。

【図６】ＴＩＲ法を利用した光学的異方性測定装置の詳
細構造を示す模式図。

【図７】本発明に係る光学的特性測定装置の構造の一例
を示す模式図。

【図８】本発明に係る光学的特性測定装置の構造の一例
を示す模式図。

【図９】本発明に係る光学的特性測定装置の構造の一例
を示す模式図。

【図１０】本発明に係る光学的特性測定装置の構造の一
例を示す模式図。

【符号の説明】

２半球ガラス（被検体保持手段）２ａ平面部２ｂ球面部９液晶（被検体）１０Ｈｅ−Ｎｅレーザ装置（第１光源）１１第２の光検知器１２偏光子１３検光子２２液晶素子２３ガラス基板（透光性基板）２５屈折率マッチング液５０光学的異方性測定装置（光学的特性測定装
置）５１入射側光学系５４出射側光学系（第２の受光系）５７フィルター手段５７ａ遮蔽部５７ｂ孔部５８顕微鏡（第１の受光系）５８ａ対物レンズ５８ｂ接眼レンズ６０光学的異方性測定装置（光学的特性測定装
置）６１絞り手段（可変絞り）７０光学的異方性測定装置（光学的特性測定装
置）７１第２光源７６第１の光検知器８０光学的異方性測定装置（光学的特性測定装
置）８１可変絞り

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平８−110300（ＪＰ，Ａ) 特開平８−193946（ＪＰ，Ａ) 特開平９−243510（ＪＰ，Ａ) 特開平11−173947（ＪＰ，Ａ) 特開平10−206317（ＪＰ，Ａ) 特開平10−68673（ＪＰ，Ａ) 特開平９−325087（ＪＰ，Ａ) 特開平９−119886（ＪＰ，Ａ) 特開平９−105704（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 11/00 G01J 4/00 - 4/04 G01N 21/21 - 21/47 G01N 21/84 - 21/958 G02F 1/13

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被検体と、該被検体に光束を照射する第
１光源と、該第１光源からの光束を前記被検体の特定界
面に収束させる入射側光学系と、を備えて、前記被検体
の光学的特性を測定する光学的特性測定装置において、前記第１光源から出射されて前記被検体を透過してきた
光を受光する第１の受光系、を備え、該第１の受光系が受光する光は、前記被検体を照明する
光束により該被検体内に生じると共に該被検体が有する
光学的不均質性により進行方向を曲げられたエバネッセ
ント光である、ことを特徴とする光学的特性測定装置。
【請求項２】前記第１の受光系を通過した光束を検出
する第１の光検知器を設けた、ことを特徴とする請求項１に記載の光学的特性測定装
置。
【請求項３】前記被検体を照明する光束が、直線偏光
を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学的特性測
定装置。
【請求項４】前記第１光源からの光束は、前記被検体
の表面の略円形状の領域に照射される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載
の光学的特性測定装置。
【請求項５】前記第１光源及び前記第１の受光系は、
前記被検体を挟むように別々の側に配置された、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載
の光学的特性測定装置。