JP4031643B2 - Ｖａ液晶パネルのセルギャップ測定方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、垂直配向(ＶＡ；Vertical Alignment )の液晶（以下「ＶＡ液晶」という）をパネルに封入した状態における当該ＶＡ液晶の厚さを測定する方法及び装置に関するものである。
液晶パネルは、最上面及び最下面がガラス層となっていて、中間に液晶が封入されている。前記液晶を封入する部分は、液晶が封入される前は空気で満たされている。
従来、液晶パネルに封入された液晶の厚さ（セルギャップ）を測定する方法として、液晶を封入しない状態で、パネルの上から光を当て反射干渉光を測定することにより、空気層の厚さを求め、その空気層の厚さを液晶の厚さとしていた（反射干渉法）。
従来、液晶パネルに封入された液晶の厚さ（セルギャップ）を測定する方法として、液晶を封入しない状態で、パネルの上から光を当て反射干渉光を測定することにより、空気層の厚さを求め、その空気層の厚さを液晶の厚さとしていた（反射干渉法）。
しかし、液晶を封入する前の空気層の厚さと、液晶封入後の液晶の厚さとは、厳密には一致しない。そこで、液晶封入後の液晶の厚さを直接求める方法の開発が望まれている。
そこで、液晶は一軸性結晶の複屈折性があるので、液晶封入後の液晶パネル面に対して直角な方向に、偏光子を通した光を当てて光透過率を測定し、この光透過率から液晶の複屈折光路差（リターデーションという）を求め、それからセルギャップを求める方法が知られている。
特開平4-307312号公報
特開平2-118406号公報
H.L.Ong, Appl. Phys. Lett. 51 (18), 2 November 1987, pp1398-1400
そこで、液晶は一軸性結晶の複屈折性があるので、液晶封入後の液晶パネル面に対して直角な方向に、偏光子を通した光を当てて光透過率を測定し、この光透過率から液晶の複屈折光路差（リターデーションという）を求め、それからセルギャップを求める方法が知られている。
この方法は、液晶の複屈折性を利用した優れた測定方法であるが、液晶の結晶軸の方向がパネル面と平行な方向にある液晶についてのみ有効であり、ＶＡ液晶のように、結晶軸の方向がパネル面と直角になった液晶には適用できない。なぜなら、一軸性結晶では「結晶軸の方向がパネル面と直角になった液晶」は、光の進行方向から見れば、等方性の液晶と変わらないからである。
等方性の液晶に対して、前記反射干渉法を用いることも考えられるが、液晶の屈折率とガラス等の屈折率が近い値であるので、弱い干渉光しか得られず、膜厚測定値に大きな誤差が入るという問題がある。
等方性の液晶に対して、前記反射干渉法を用いることも考えられるが、液晶の屈折率とガラス等の屈折率が近い値であるので、弱い干渉光しか得られず、膜厚測定値に大きな誤差が入るという問題がある。
そこで本発明は、複屈折性を持ち、光学軸の方向がパネル面と直角になっているＶＡ液晶の厚さ（セルギャップ）を正確に測定する方法及び装置を提供することを目的とする。
本発明のＶＡ液晶パネルのセルギャップ測定方法は、光源の光から一定の偏光成分を取り出し、この偏光成分の光をＶＡ液晶パネルに、当該光の方向がＶＡ液晶パネルの光学軸に斜めになるようにして当て、ＶＡ液晶パネルを透過した光の特定の偏光成分の透過強度を測定し、この透過強度に基づいてＶＡ液晶パネルのリターデーションＲを求め、このリターデーションＲと、ＶＡ液晶の正常屈折率ｎo及び異常屈折率ｎeのデータとから、ＶＡ液晶の厚さを求める方法である。
前記「光源の光」は、単色光でもよく、多色光（例えば白色光）でもよい。単色光の場合、光の透過強度の測定は受光素子で直接行うことができるが、多色光の場合、光の透過強度の測定は、分光器を通した受光素子で行うことになる。
この方法によれば、ＶＡ液晶パネルに、光の方向がＶＡ液晶パネルの光学軸に斜めになるようにして当てることにより、液晶層のみに起因する複屈折を人為的に生じさせる。これにより、ＶＡ液晶の厚さを正確に求めることができる。
この方法によれば、ＶＡ液晶パネルに、光の方向がＶＡ液晶パネルの光学軸に斜めになるようにして当てることにより、液晶層のみに起因する複屈折を人為的に生じさせる。これにより、ＶＡ液晶の厚さを正確に求めることができる。
本発明のＶＡ液晶パネルのセルギャップ測定装置は、光源と、光源の光から一定の偏光成分を取り出す偏光子と、この偏光子の光をＶＡ液晶パネルに当該光の方向がＶＡ液晶パネルの光学軸に斜めになるようにして当てることのできる光軸設定手段と、ＶＡ液晶パネルを透過した光の特定の偏光成分を取り出す検光子と、検光子の透過強度を測定する受光器と、透過強度に基づいてＶＡ液晶パネルのリターデーションＲを求め、このリターデーションＲと、ＶＡ液晶の正常屈折率ｎo及び異常屈折率ｎeのデータとから、ＶＡ液晶の厚さを求めるデータ処理装置とを備えるものである。
この装置によれば、光をＶＡ液晶パネルに当該光の方向がＶＡ液晶パネルの光学軸に斜めになるようにして当てることのできる光軸設定手段を設けているので、光の方向がＶＡ液晶パネルの光学軸に斜めになるようにして当てることにより、液晶層のみに起因する複屈折を人為的に生じさせることができる。したがって、ＶＡ液晶の厚さを正確に求めることができる。
図１は、セルギャップ測定装置の概要を示すブロック図である。
同測定装置は、ハロゲンランプなどの光源１１、単色光を得るモノクロメータ１２、モノクロメータ１２の出射光を導く入射光ファイバ１３、入射光ファイバ１３の光から直線偏光を取り出す偏光子１４、サンプルとなるＶＡ液晶パネル１５、ＶＡ液晶パネル１５を通った光から直線偏光を取り出す検光子１６、検光子１６を通過した光を導く出射光ファイバ１７、受光器１８、及びデータ処理装置１９を有する。
同測定装置は、ハロゲンランプなどの光源１１、単色光を得るモノクロメータ１２、モノクロメータ１２の出射光を導く入射光ファイバ１３、入射光ファイバ１３の光から直線偏光を取り出す偏光子１４、サンプルとなるＶＡ液晶パネル１５、ＶＡ液晶パネル１５を通った光から直線偏光を取り出す検光子１６、検光子１６を通過した光を導く出射光ファイバ１７、受光器１８、及びデータ処理装置１９を有する。
前記入射光ファイバ１３、出射光ファイバ１７、偏光子１４及び検光子１６は、１つのフレームに固定されており、このフレームを例えばモータＭで回転させることにより、ＶＡ液晶パネル１５への入射角θを変えることができる。モータＭの回転角のデータは、データ処理装置１９に入力されるようになっている。
なお、ＶＡ液晶パネル１５への入射角θを変えるのに、フレームを固定し、ＶＡ液晶パネル１５を載せる台を傾斜させる機構を採用してもよい。
なお、ＶＡ液晶パネル１５への入射角θを変えるのに、フレームを固定し、ＶＡ液晶パネル１５を載せる台を傾斜させる機構を採用してもよい。
図２は、フレームを角度θだけ傾斜させた状態のセルギャップ測定装置の概要を示すブロック図である。この状態では、ＶＡ液晶への入射角は、図３に示すように、θとなり、ＶＡ液晶の中を通過する光の傾きは、屈折によりαとなる。θとαとの関係は、ＶＡ液晶外の屈折率をｎ1（ＶＡ液晶外は通常空気であるからｎ1は１となる）、ＶＡ液晶の屈折率をｎ2とすると、
ｎ2 sin α＝ｎ1 sin θ (1)
となる（スネルの法則）。
ｎ2 sin α＝ｎ1 sin θ (1)
となる（スネルの法則）。
ここで、ＶＡ液晶の屈折率ｎ2は、ＶＡ液晶が複屈折性を持つので一意的に決められないが、ここでは、ＶＡ液晶の異常屈折率(extraordinary index)ｎe、正常屈折率(ordinary index)ｎoの平均をとる。
ｎ2＝（ｎe＋ｎo）／２ (2)
またＶＡ液晶内の光路長は、図３に示すようにｄ1となる。このｄ1と、ＶＡ液晶自体の厚さ（セルギャップ）ｄ0との関係は、
ｄ1 cosα＝ｄ0 (3)
である。
ｎ2＝（ｎe＋ｎo）／２ (2)
またＶＡ液晶内の光路長は、図３に示すようにｄ1となる。このｄ1と、ＶＡ液晶自体の厚さ（セルギャップ）ｄ0との関係は、
ｄ1 cosα＝ｄ0 (3)
である。
図４は、ＶＡ液晶の屈折率楕円体(Index ellipsoid)を示す斜視図である。ＶＡ液晶の結晶軸を座標系のｚ方向にとっている。ｚ方向に進む光に対しては、ＶＡ液晶は等方性媒質のように振る舞うので、屈折率は光の偏光方向に依存しない。
図５は、ＶＡ液晶をθだけ傾けた状態を示す図である。ＶＡ液晶の結晶軸をｚ軸で表し、光の進行方向をｚ′軸で表している。ｚ′軸とｚ軸との角度はαである。
図５は、ＶＡ液晶をθだけ傾けた状態を示す図である。ＶＡ液晶の結晶軸をｚ軸で表し、光の進行方向をｚ′軸で表している。ｚ′軸とｚ軸との角度はαである。
図５のハッチングで示した部分を取り出して図示したのが図６である。光の振幅がｘ軸方向にある光（以下「斜め異常光線」という）の、ＶＡ液晶内の屈折率ｎαは、次の式で表される。
ｎα＝［ｎe2ｎo2／（ｎe2cos2α＋ｎo2sin2α）］1/2 (4)
一方、光の振幅の方向がｙ軸方向にある光（以下「正常光線」という）の受ける屈折率は、ＶＡ液晶の正常屈折率ｎoそのものである。
ｎα＝［ｎe2ｎo2／（ｎe2cos2α＋ｎo2sin2α）］1/2 (4)
一方、光の振幅の方向がｙ軸方向にある光（以下「正常光線」という）の受ける屈折率は、ＶＡ液晶の正常屈折率ｎoそのものである。
したがって、正常光線と斜め異常光線との屈折率差Δｎは、
Δｎ＝ABS（ｎα−ｎo） (5)
で表される（ＡＢＳは絶対値を表す）。α＝０のとき、Δｎ＝０となり、α＞０ならばΔｎ＞０となる。
データ処理装置１９に、ＶＡ液晶のｎe，ｎoと、入射角θとを、データとして与えてやると、データ処理装置１９は、前記(1)式、(2)式より、ＶＡ液晶の中を通過する斜め異常光線の傾きαを求める。そして、前記(4)式より、ＶＡ液晶内の光の屈折率ｎαを求め、前記(5)式より、屈折率差Δｎを求める。
Δｎ＝ABS（ｎα−ｎo） (5)
で表される（ＡＢＳは絶対値を表す）。α＝０のとき、Δｎ＝０となり、α＞０ならばΔｎ＞０となる。
データ処理装置１９に、ＶＡ液晶のｎe，ｎoと、入射角θとを、データとして与えてやると、データ処理装置１９は、前記(1)式、(2)式より、ＶＡ液晶の中を通過する斜め異常光線の傾きαを求める。そして、前記(4)式より、ＶＡ液晶内の光の屈折率ｎαを求め、前記(5)式より、屈折率差Δｎを求める。
屈折率差Δｎが求められると、ＶＡ液晶の中を通過する正常光線と斜め異常光線とのリターデーションＲを実験的に求め、データ処理装置１９に与えれば、データ処理装置１９は、ＶＡ液晶内の光路長ｄ1を、式
ｄ1＝Ｒ／Δｎ (6)
に基づいて求めることができる。そして、データ処理装置１９は、前記(3)式を使ってＶＡ液晶内の光路長ｄ1をセルギャップｄ0に変換する。このようにしてＶＡ液晶パネルのセルギャップを求めることができる。
ｄ1＝Ｒ／Δｎ (6)
に基づいて求めることができる。そして、データ処理装置１９は、前記(3)式を使ってＶＡ液晶内の光路長ｄ1をセルギャップｄ0に変換する。このようにしてＶＡ液晶パネルのセルギャップを求めることができる。
以上の説明から分かるように、セルギャップ測定装置のユーザは、ＶＡ液晶のｎe，ｎoをデータ処理装置１９に入力するとともに、入射角θを傾けたときのＶＡ液晶の中を通過する正常光線と斜め異常光線とのリターデーションＲを求める必要がある。
次に、当該リターデーションＲの求め方を説明する。
図７は、入射角θを、ｙ軸を中心にして傾けたときの、光学系の要部を示す斜視図である。光の入射方向をｚ″軸、ｙ軸とｚ″軸に垂直にｘ″軸をとる。
次に、当該リターデーションＲの求め方を説明する。
図７は、入射角θを、ｙ軸を中心にして傾けたときの、光学系の要部を示す斜視図である。光の入射方向をｚ″軸、ｙ軸とｚ″軸に垂直にｘ″軸をとる。
偏光子１４の偏光方向を、ｙ軸とｘ″軸とを含む平面内で、ｙ軸から時計方向に４５°傾ける。検光子１６の偏光方向を、ｙ軸とｘ″軸とを含む平面内で、ｙ軸から時計方向に４５°傾けて平行ニコル(Parallel Nicol)の状態で強度透過率Ｔpを測定し、検光子１６をさらに９０°（合計１３５°）傾けて直交ニコル(Cross Nicol)の状態で強度透過率Ｔcを測定する。
平行ニコルの状態では、強度透過率Ｔpは、
Ｔp＝cos2β (7)
で表され、直交ニコルの状態では、強度透過率Ｔcは、
Ｔc＝sin2β (8)
で表される。ここで、βは、測定時の波長をλとすると、
β＝πＲ／λ (9)
で定義される。
Ｔc／Ｔp＝tan2β (10)
となり、リターデーションＲは、
πＲ＝λ tan-1√（Ｔc／Ｔp） (11)
で求めることができる。
Ｔp＝cos2β (7)
で表され、直交ニコルの状態では、強度透過率Ｔcは、
Ｔc＝sin2β (8)
で表される。ここで、βは、測定時の波長をλとすると、
β＝πＲ／λ (9)
で定義される。
Ｔc／Ｔp＝tan2β (10)
となり、リターデーションＲは、
πＲ＝λ tan-1√（Ｔc／Ｔp） (11)
で求めることができる。
なお、本発明の実施は、以上の形態に限られるものではない。いままでの説明では、セルギャップ測定装置は、単色光源を得る方法として、光源１１とモノクロメータ１２を用いていたが、この組み合わせに代えて、レーザ光源を用いてもよい。
また、光源１１とモノクロメータ１２と受光器１８との組み合わせで強度測定をしていたが、モノクロメータ１２を外し、受光器１８の前に分光器を配置してもよい。分光器を使った場合の分光方法は任意でよく、例えば色フィルター、プリズム、又はグレーティングを採用することができる。
また、光源１１とモノクロメータ１２と受光器１８との組み合わせで強度測定をしていたが、モノクロメータ１２を外し、受光器１８の前に分光器を配置してもよい。分光器を使った場合の分光方法は任意でよく、例えば色フィルター、プリズム、又はグレーティングを採用することができる。
また、光軸を傾斜させるのに、モータＭを用いていたが、フレーム若しくはＶＡ液晶パネルを載せる台を手動で傾けるようにしてもよい。また、初めから光軸を固定されたある角度に傾斜させている構造を採用してもよい。
あるＶＡ液晶パネル（スペーサ径から予想されるセルギャップ値は約３．５μｍである）について、入射角θを２５°から４５°まで段階的に変えて、リターデーションＲと波長λとの関係を求めたところ、図８のグラフのようになった。
波長５８９ｎｍにおけるリターデーションＲをグラフから読み取り、セルギャップｄ0を本発明の方法により計算すると、図９の図表のようになった。
波長５８９ｎｍにおけるリターデーションＲをグラフから読み取り、セルギャップｄ0を本発明の方法により計算すると、図９の図表のようになった。
図９から、セルギャップｄ0は、入射角θが２５°から４５°までの間で、多少変動しているが、ほぼ一定の３．５μｍの値をとる。この変動の傾向が、入射角θ＝２５°〜４５°の間で一定しないので、この変動の影響は、平均をとることにより打ち消すことができる、と考えている。
以上の結果から、本発明のＶＡ液晶パネルのセルギャップ測定方法によれば、入射角θの値の如何にかかわらず、セルギャップｄ0が正確に求められることが分かる。
以上の結果から、本発明のＶＡ液晶パネルのセルギャップ測定方法によれば、入射角θの値の如何にかかわらず、セルギャップｄ0が正確に求められることが分かる。
１１ 光源
１２ モノクロメータ
１３ 入射光ファイバ
１４ 偏光子
１５ ＶＡ液晶パネル
１６ 検光子
１７ 出射光ファイバ
１８ 受光器
１９ データ処理装置
ｄ０ ＶＡ液晶の厚さ
ｄ１ ＶＡ液晶の内の光路長
ｎ１ ＶＡ液晶外の屈折率
ｎ２ ＶＡ液晶の屈折率
ｎｅ 異常屈折率
ｎｏ 正常屈折率
Ｍ モータ
１２ モノクロメータ
１３ 入射光ファイバ
１４ 偏光子
１５ ＶＡ液晶パネル
１６ 検光子
１７ 出射光ファイバ
１８ 受光器
１９ データ処理装置
ｄ０ ＶＡ液晶の厚さ
ｄ１ ＶＡ液晶の内の光路長
ｎ１ ＶＡ液晶外の屈折率
ｎ２ ＶＡ液晶の屈折率
ｎｅ 異常屈折率
ｎｏ 正常屈折率
Ｍ モータ
Claims (7)
- 光源の光から一定の偏光成分を取り出し、この偏光成分の光をＶＡ液晶パネルに、当該光の方向がＶＡ液晶パネルの光学軸に斜めになるようにして当て、ＶＡ液晶パネルを透過した光の特定の偏光成分の透過強度を測定し、この透過強度に基づいてＶＡ液晶パネルのリターデーションＲを求め、このリターデーションＲと、ＶＡ液晶の正常屈折率ｎo及び異常屈折率ｎeのデータとから、ＶＡ液晶の厚さを求めることを特徴とするＶＡ液晶パネルのセルギャップ測定方法。
- 前記リターデーションＲは、平行ニコル及び直交ニコルの状態で、透過強度をそれぞれ測定することにより求められることを特徴とする請求項１記載のＶＡ液晶パネルのセルギャップ測定方法。
- 前記ＶＡ液晶の厚さは、ＶＡ液晶の正常屈折率ｎo及び異常屈折率ｎeとから、斜め異常光線のＶＡ液晶内の屈折率ｎαを計算し、この屈折率ｎαと正常光線のＶＡ液晶内の屈折率ｎoとの差Δｎを計算し、リターデーションＲをこのΔｎで割ることによりＶＡ液晶内の光路長ｄ1を求め、空気とＶＡ液晶との界面での光の屈折を考慮して前記光路長ｄ1をセルギャップｄ0に変換して得られることを特徴とする請求項１記載のＶＡ液晶パネルのセルギャップ測定方法。
- 光源と、光源の光から一定の偏光成分を取り出す偏光子と、この偏光子の光をＶＡ液晶パネルに当該光の方向がＶＡ液晶パネルの光学軸に斜めになるようにして当てることのできる光軸設定手段と、ＶＡ液晶パネルを透過した光の特定の偏光成分を取り出す検光子と、検光子の透過強度を測定する受光器と、透過強度に基づいてＶＡ液晶パネルのリターデーションＲを求め、このリターデーションＲと、ＶＡ液晶の正常屈折率ｎo及び異常屈折率ｎeのデータとから、ＶＡ液晶の厚さを求めるデータ処理装置とを備えることを特徴とするＶＡ液晶パネルのセルギャップ測定装置。
- 前記光軸設定手段は、光軸とＶＡ液晶パネルとの角度を変化させることのできる傾斜機構を含むことを特徴とする請求項４記載のＶＡ液晶パネルのセルギャップ測定装置。
- 前記傾斜機構は、光軸の傾きを変化させるものであることを特徴とする請求項５記載のＶＡ液晶パネルのセルギャップ測定装置。
- 前記傾斜機構は、ＶＡ液晶パネルの傾きを変化させるものであることを特徴とする請求項５記載のＶＡ液晶パネルのセルギャップ測定装置。
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