JP4926003B2 - 偏光解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、液晶ディスプレイに用いられる楕円偏光板の偏光板と位相差板との貼合ズレ角を測定する方法であって、特に位相差板のレターデーションが例えば１００ｎｍ以下と小さい場合や、貼合角を０°あるいは９０°を目標に貼合加工された場合にも楕円偏光板の貼合ズレ角を精度よく測定する方法に関する。

一般的な偏光解析法の１つに、楕円偏光板の位相差板側に配置した偏光板（検光子又は偏光子）を回転したときの透過光強度変化から楕円率と楕円方位角とを測定する回転検光子法又は回転偏光子法がある。その方法は、ＳＴＮ（Super Twisted Nematic）型液晶セルの補償用楕円偏光板に代表されるような位相差板のレターデーションが１００ｎｍ程度以上あり、かつ偏光板と位相差板との貼合角（偏光板の透過軸と位相差板の遅相軸とのなす角）が約２０°〜７０°の範囲であるような楕円偏光板であれば、位相差板のレターデーションと貼合角をともに精度よく測定できる（特許文献１，２参照。）。

特許第２９２４９３８号公報 特許第３５３９００６号公報

楕円偏光板を形成する偏光板と位相差板との目標貼合角が０°又は９０°のときには、貼合角に数度のズレがあったとしても、図１のように楕円偏光板の透過光は楕円偏光板を形成する偏光板通過後の直線偏光とほとんど同じであるために、従来の回転検光子法（又は回転偏光子法）ではそのズレ角を精度よく測定することは困難であった。また、楕円偏光板の位相差板のレターデーションが小さい場合も貼合ズレ角を精度よく測定することは困難であった。このような問題は、例えばＶＡ（Vertical Alignment）型液晶セルやＩＰＳ（In-Plane Switching）型液晶セルにおいて発生する。

本発明は、楕円偏光板の位相差板のレターデーションが小さい場合、又は偏光板の透過軸と位相差板の遅相軸が平行又は直交状態で貼合された場合の楕円偏光板の貼合角のズレを測定する方法を提供することを目的とするものである。

本発明の偏光解析方法は、光源からの単一波長の測定光が光検出器に至る測定光路上に偏光子と検光子が配置され、偏光子が測定光路に対して着脱可能になっている偏光解析装置を用い、偏光板の透過軸と位相差板の遅相軸とが平行又は直交状態で貼合された楕円偏光板を測定対象試料として偏光子と検光子の間の測定光路上に配置し、以下のステップ（Ａ）から（Ｅ）を備えて楕円偏光板における偏光板と位相差板との間の貼合ズレ角を測定する。
（Ａ）偏光子を測定光路から外した状態で検光子を回転させる回転検光子法によって楕円偏光板の偏光板の透過軸方位φｐを調べるステップ、
（Ｂ）検光子の透過軸方位をφｐに合わせて固定するステップ、
（Ｃ）その後、波長板を偏光子の位置と楕円偏光板の間の測定光路上に配置し、波長板の遅相軸がφｐ＋４５°の方位になるように固定した状態で、偏光子を測定光路上に配置して回転させる回転偏光子法により楕円偏光板と波長板の全体の透過光強度を検出してそのときの楕円率と楕円方位角を求めるステップ、
（Ｄ）偏光板に位相差板２枚が貼合された状態での透過光の偏光状態として楕円率と楕円方位角を求める計算手法を用い、楕円偏光板の位相差板を第１位相差板とみなしてそのレターデーションを変数Ｒ１、遅相軸方位を変数φ１とし、波長板を第２位相差板とみなしてそのレターデーションを既知の定数Ｒ２、遅相軸方位を既知の定数φ２（ただし、φ１、φ２はいずれもφｐを基準にして表した値で、φ２＝４５°）として、Ｒ１及びφ１の値を変化させて計算を実行し、各Ｒ１及びφ１に対応した偏光板と位相差板２枚の全体に対する透過光の楕円率と楕円方位角を計算によって算出するステップ、及び
（Ｅ）計算により求めた楕円率と楕円方位角がステップ（Ｃ）で求めた実測の楕円率と楕円方位角に最も近くなるときのＲ１とφ１とを求めて、そのφ１を楕円偏光板の貼合ズレ角とするステップ。

すなわち、単一波長光を偏光板と位相差板とを貼合した楕円偏光板に位相差板側から照射するが、楕円偏光板の位相差板側に回転可能な偏光子と回転可能な波長板を配置し、さらに楕円偏光板の偏光板側に回転可能な検光子を備え、全体を透過する光の強度を光検出器で検出する。偏光子、波長板及び検光子はそれぞれ独立に回転可能であって、かつ偏光子と波長板はそれぞれ独立に一軸テーブルによって測定系に入ったり（測定光路上に配置すること）、測定系から退避（測定光路から外れること）したりできる構造になっている。例えば、楕円偏光板の偏光板が検光子側になるように試料台に置き、偏光子及び波長板は退避位置の状態で、まず検光子を１回転したときの検出光強度変化から楕円偏光板の偏光板の透過軸方位φｐを調べ、検光子の透過軸がここで得たφｐになるようして固定する。次に、偏光子及び波長板をともに測定系に入れ、波長板の遅相軸がφｐ＋４５°になるように方位を固定した後、偏光子を１回転して検出光強度変化Ｉ（θ）を調べる。Ｉ（θ）の最小値Ｉｍｉｎ、最大値Ｉｍａｘ及びＩ（θ）の最大値を与える偏光子の方位θｍａｘを求めると、楕円率α＝（Ｉｍｉｎ／Ｉｍａｘ）^1/2、楕円方位角はθｍａｘになる。このとき、φｐ基準で表した楕円方位角をΨとすると、Ψ＝θｍａｘ−φｐとなる。

一方、計算によって偏光板に位相差板２枚が貼合された状態の透過光の偏光状態（楕円率と楕円方位角）を求めることができる。例えば王子計測機器株式会社製のシミュレーションソフトＬＣＤ−ＯＰＴＩＭＡは任意の偏光が位相差板に入射したときの透過光の偏光状態を計算でき、位相差板は３枚の貼合まで扱うことができ、各層のレターデーション及び遅相軸方位を任意に設定できる。

ＬＣＤ−ＯＰＴＩＭＡの計算方法を説明する前に、偏光状態を表現する方法の一つであるポアンカレ球について説明する。ポアンカレ球は地球儀のような球体上に配置した点の位置によって偏光状態を表すが、基本的な特徴は次のようになる。（１）赤道上はすべて楕円率０の直線偏光を表し、北極と南極は楕円率１の円偏光、その他の点はすべて楕円偏光を表す。（２）経度が同じ点はすべて方位の同じ偏光を表し、基準となる位置から読み取った経度の半分の角度だけ偏光方位が変わる。（３）北半球と南半球では回転方向が逆の楕円偏光又は円偏光を表す。

位相差板を偏光変換素子と考えると、その変換の様子はポアンカレ球を用いて表すことができる。図２は、偏光板に位相差板１枚を貼合したときの偏光変換の説明図である。位相差板のレターデーションをＲ１、貼合角をφ１として、位相差板に入射する直線偏光を点Ｐとし、まず点Ｐから経度２φ１の方向に球の中心を通る回転軸を描く。次に点Ｐを通り回転軸と直角に交わる直線を含み、かつ赤道面に垂直な面を考え、これを回転断面と呼ぶことにする。この回転断面によって定まる球上の円弧に沿ってＲ１と波長λによって決まる回転角δ１（δは位相差角で、δ１＝２πＲ１／λである。）だけ点Ｐを移動した点Ｍが位相差板によって変換された偏光状態になる。点Ｍを赤道面へ投影した点をＭ’とし、点Ｐから見た点Ｍ’の経度を２Ψ≡としたとき、点Ｍの楕円方位は点Ｐの直線偏光方位に対してΨ≡だけ方位が異なる。また、点Ｍの楕円率は∠ＭＯＭ’を２χとしたとき、tanχとなる。

図３は、図２のように１枚目の位相差板で変換された点Ｍの楕円偏光をさらに２枚目の位相差板によって変換する様子を説明した図である。２枚目の位相差板のレターデーションをＲ２、点Ｐの直線偏光透過軸を基準にした貼合角をφ２としたとき、図２と同様に２φ２によって決まる回転軸、さらに点Ｍ’と回転軸によって決まる回転断面を考え、Ｒ２と波長によってもとまる回転角δ２だけ点Ｍを移動する。このとき、図３中の∠ＭＱ２Ｍ’をγ１とすると、γ１とδ２（＝２πＲ２／λ）によって点Ｍの移動量が決定される。Ｒ１、Ｒ２、φ１、φ２の各数値を具体的に設定すれば、図２及び図３の各部分の直角三角形の内角や辺の長さを順に計算していけばγ１も求まり、最終的に点Ｍを移動後の点の偏光状態も計算によって求めることができる。

ＬＣＤ−ＯＰＴＩＭＡは、上記のようにポアンカレ球上の点の移動を幾何学的に処理することにより、偏光板に任意の位相差板を貼合したときの透過光の楕円偏光状態を求めるものである。

楕円偏光板の位相差板のレターデーション及び遅相軸方位をそれぞれＲ１、φ１とし、波長板のレターデーション及び遅相軸方位をそれぞれＲ２、φ２（ただし、φ１、φ２の角度の基準は楕円偏光板の偏光板透過軸）とする。具体的にはＲ２は既知の値であって測定波長の１／４程度すなわち１００〜１５０ｎｍ程度が適しており、さらにφ２＝４５°である。ＬＣＤ−ＯＰＴＩＭＡにおいて、Ｒ２とφ２には上記の波長板の条件を入力し、Ｒ１とφ１をともにある範囲（例えばＲ１を０ｎｍ〜１００ｎｍ、φ１を−９０°〜９０°）変化させて計算を実行し、各Ｒ１、φ１について楕円率と楕円方位角を算出する。その計算結果の中から実測で得られた楕円率αと楕円方位角Ψに最も近くなるときのＲ１及びφ１を求め、そのφ１を楕円偏光板の貼合ズレ角とする。

また、さらにズレ角を精度よく求めるには、楕円偏光板の位相差板としてレターデーションＲ１が既知のものを使用し、φ１だけをある範囲変化させて計算を実行し、各φ１について楕円率と楕円方位角を算出する。その計算結果の中から実測で得られた楕円率αと楕円方位角Ψに最も近くなるときのφ１を求め、そのφ１を楕円偏光板の貼合ズレ角としてもよい。

本発明の偏光解析方法によれば、楕円偏光板を構成する位相差板のレターデーションが例えば１００ｎｍ以下と小さい場合、偏光板と位相差板との貼合角が０°又は９０°を目標に貼合加工された場合、又はその両方の場合の楕円偏光板の貼合ズレ角を精度よく測定することができるようになる。

図４は、偏光板の透過軸と位相差板の遅相軸が平行又は直交状態で貼合された楕円偏光板における貼合角のズレ角を測定するための本発明の一実施例を実施するための偏光測定装置の一例を示す概略構成図である。

光源１からの光が単一波長光の測定光として被測定物である楕円偏光板５に照射される。光源１としては、例えばハロゲンランプと、ハロゲンランプからの光を導くライトガイドからなるものとすることができる。その場合にはハロゲンランプからの光を単一波長光にするためにバンドパスフィルタ２が光路上に配置される。光源１としてはレーザ光源を使用することもできる。レーザ光源の場合には単一波長光を発振させることによりバンドパスフィルタ２を省略することができる。以下の説明では光源１としてハロゲンランプを使用し、バンドパスフィルタ２が配置されているものとして説明する。

バンドパスフィルタ２と楕円偏光板５が配置される試料台上の位置の間で測定光の光路上には、偏光子３と波長板４が配置される。偏光子３は一軸ステージにより測定光の光路上の位置と測定光の光路から外れた位置との間で移動可能に支持され、かつ偏光軸の方位が変えられるように回転可能な構造の支持部材に支持されている。波長板４も他の一軸ステージにより測定光の光路上の位置と測定光の光路から外れた位置との間で移動可能に支持され、かつ遅相軸の方位が変えられるように回転可能な構造の他の支持部材に支持されている。

楕円偏光板５を透過した測定光を検出するために測定光の光路上に光検出器７が配置され、楕円偏光板５と光検出器７の間の測定光路上には偏光軸の方位が変えられるように回転可能に支持された検光子が配置されている。光検出器７の検出信号に基づいて楕円偏光板５の偏光特性を求めるために演算処理部８が設けられている。

図４の偏光測定装置を用いて一実施例の偏光解析を行う手順を図５のフローチャートを参照して説明する。

（ステップＳ１）楕円偏光板５の偏光板５ａが検光子６側になるように試料台に置き、偏光子３及び波長板４は測定光の光路から退避させた状態で、検光子６を１回転したときの検出光強度変化から楕円偏光板５の偏光板５ａの透過軸方位φｐを調べる。

（ステップＳ２）検光子６の透過軸がここで得たφｐになるように固定する。

（ステップＳ３）偏光子３及び波長板４を測定光の光路上に配置する。

（ステップＳ４）波長板４をその遅相軸がφｐ＋４５°の方位になるように固定する。

（ステップＳ５）偏光子３を１回転して検出光強度変化Ｉ（θ）を測定し、Ｉ（θ）の最小値Ｉｍｉｎ、最大値Ｉｍａｘ及びＩ（θ）の最大値を与える偏光子の方位θｍａｘから、楕円率α＝（Ｉｍｉｎ／Ｉｍａｘ）^1/2と楕円方位角θｍａｘを求める。楕円方位角はφｐ基準Ψで表すと、楕円方位角Ψ＝θｍａｘ−φｐとなる。

（ステップＳ６）計算によって位相差板５ｂのレターデーションＲ１と貼合角φ１を変化させて計算を実行し、偏光板５ａ、位相差板５ｂ及び波長板４の全体の透過光の楕円率αと楕円方位角Ψを各Ｒ１、φ１について算出する。その計算結果の中から実測で得られた楕円率αと楕円方位角Ψに最も近くなるときのＲ１及びφ１を求めて、そのφ１を楕円偏光板５の貼合ズレ角とする。

図６は、図１の楕円偏光板透過光を上の実施例の条件による波長板４を配置し、図１と同様に楕円偏光板５の偏光板５ａ側から光を照射したときの偏光状態の変化を説明した図である。

本発明の測定原理をポアンカレ球を使って模式的に説明すると、図７のようになる。図７はポアンカレ球上の点を赤道面への投影図で表したもので、中心は円偏光（楕円率＝１）を表し、最外周の円は方位角の異なる直線偏光（楕円率＝０）を表す。図７において、Ｐの位置は角度の基準とした楕円偏光板５の偏光板５ａ透過軸を表す点であり、位相差板５ｂとの貼合角が０°又は９０°のときには、楕円偏光板５全体の透過光の偏光状態はほとんどＰの位置から変化しない。しかし、本発明の測定法のように波長板４を配置し、その遅相軸をＰに対してして４５°に配置したとき、楕円偏光板５及び波長板４を含む全体の透過光の偏光状態は、図７のＡ又はＢの位置まで移動する。Ａ又はＢの位置の偏光状態を回転偏光子法によって実測し、この点をシミュレーションソフトＬＣＤ−ＯＰＴＩＭＡでの目標の偏光状態にして計算を実行し、計算の中で振った変数Ｒ１、φ１の中から目標の偏光状態に最も近くなるときのＲ１、φ１を求めれば、φ１が貼合ズレ角になる。

被測定物である楕円偏光板の偏光状態を説明する概略斜視図である。 位相差板に直線偏光が入射したときの偏光変換の様子をポアンカレ球を用いて説明する図である。 位相差板に楕円偏光が入射したときの偏光変換の様子をポアンカレ球を用いて説明する図である。 本発明の偏光解析に用いる測定系の一例を示す概略構成図である。 一実施例の偏光解析手順を説明するフローチャートである。 本発明において波長板を配置したときの偏光状態の変化を説明する概略斜視図である。 本発明における偏光状態の変化をポアンカレ球の赤道面への投影図で説明する図である。

符号の説明

１ 光源
２ バンドパスフィルタ
３ 偏光子
４ 波長板
５ 楕円偏光板
６ 検光子
７ 光検出器
８ 演算処理部

Claims (2)

1. 光源からの単一波長の測定光が光検出器に至る測定光路上に偏光子と検光子が配置され、偏光子が測定光路に対して着脱可能になっている偏光解析装置を用い、
   偏光板の透過軸と位相差板の遅相軸とが平行又は直交状態で貼合された楕円偏光板を測定対象試料として偏光子と検光子の間の測定光路上に配置し、
   （Ａ）偏光子を測定光路から外した状態で検光子を回転させる回転検光子法によって楕円偏光板の偏光板の透過軸方位φｐを調べるステップ、
   （Ｂ）検光子の透過軸方位を前記方位φｐに合わせて固定するステップ、
   （Ｃ）その後、波長板を偏光子の位置と楕円偏光板の間の測定光路上に配置し、波長板の遅相軸がφｐ＋４５°の方位になるように固定した状態で、偏光子を測定光路上に配置して回転させる回転偏光子法により楕円偏光板と波長板の全体の透過光強度を検出してそのときの楕円率と楕円方位角を求めるステップ、
   （Ｄ）偏光板に位相差板２枚が貼合された状態での透過光の偏光状態として楕円率と楕円方位角を求める計算手法を用い、楕円偏光板の位相差板を第１位相差板とみなしてそのレターデーションを変数Ｒ１、遅相軸方位を変数φ１とし、波長板を第２位相差板とみなしてそのレターデーションを既知の定数Ｒ２、遅相軸方位を既知の定数φ２（ただし、φ１、φ２はいずれも前記方位φｐを基準にして表した値で、φ２＝４５°）として、Ｒ１及びφ１の値を変化させて計算を実行し、各Ｒ１及びφ１に対応した偏光板と位相差板２枚の全体に対する透過光の楕円率と楕円方位角を計算によって算出するステップ、及び
   （Ｅ）計算により求めた楕円率と楕円方位角がステップ（Ｃ）で求めた実測の楕円率と楕円方位角に最も近くなるときのＲ１とφ１とを求めて、そのφ１を楕円偏光板の貼合ズレ角とするステップ、
   を備えて楕円偏光板における偏光板と位相差板との間の貼合ズレ角を測定する偏光解析方法。
2. ステップ（Ｄ）において楕円偏光板の位相差板のレターデーションＲ１も既知の定数とし、φ１だけを変数として、φ１の値だけを変化させて計算を実行して各φ１での楕円率と楕円方位角を算出する請求項１に記載の偏光解析方法。