JP5118311B2 - 位相差および光軸方位の測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィルムや透明物質の位相差や光軸方位を測定する装置および測定方法に関するものである。

透明な薄膜や板状基板、有機フィルムはディスプレイ、光ディスクなど広く光学部品として使用されている。例えば光記録では信号の読み取りに偏光変換を用いており、基板として用いるポリカーボネート自体は偏光状態を保持することが必要である。即ち光学的に等方性（位相差が０）でなければならない。また液晶ディスプレイでは液晶分子の配向によって光源の偏光を変化させて輝度情報に変換しているが、パネルを構成する幾種かのフィルムは等方性であることが必須である。あるいは他の用途では偏光を制御するために微小な位相差を持たせたいという要求もある。しかしながら、以上のようなフィルムや基板には歪みや応力により複屈折が発生したり、構造上の僅かな異方性などによって光学異方性が発現し、位相差が生じることもある。したがって製造工程やそれらの材料を用いた組立て工程では、フィルムが等方性であること、あるいは所望の微小位相差を維持していることを評価・検査する装置が必要不可欠である。しかしながら従来の測定装置では、高精度測定の要求と、大面積あるいは高速という要求とを両立することが困難であった。

特開２００１−８３３２１号公報 特開平１０−３３５７５８号公報 特開平５−１１３３７１号公報

本発明が解決する課題は、微小な複屈折率を有するフィルムや基板、透明材料の位相差と光軸方位を高精度かつ大面積を高スループットで測定する装置および方法を提供することにある。

はじめに本発明における上記課題を解決するための手段の概略を説明する。偏光子および波長板によって偏光が既知となるよう制御された入射光を、被測定フィルムに面垂直方向から入射し、フィルムを透過した光の偏光状態を計測する。偏光解析の一般的な方法は、偏光子（アナライザ）を機械的に回転させて時系列に得られる受光強度を用いるが、装置が大型になる、大面積を一括して計測することができないという欠点がある。
その課題を解決する手段として、光軸が異なる複数の偏光子をアレイ状に形成し、それを透過する光の強度を受光素子アレイを用いて一括して計測する。得られた偏光子の光軸方位角と受光強度の情報から偏光解析を行なう。入射光の偏光状態からの変化から、フィルムが有する位相差および主軸方位を求めるというものである。

偏光状態を記述する方法の一つであるストークスパラメータ（Ｓパラメータ）を用いて原理を説明する。フィルムを入れない初期状態の偏光状態を楕円率角β（ｔａｎβ＝ε）、長軸方位γとする。このときのＳパラメータは数１と書き表される。

次に位相差をもつフィルムを挿入したとき、透過光の偏光状態が楕円率角β´、長軸方向γ´に変化したとする。そのときのＳパラメータは同様に数２となる。

ここでＳ０（偏光度）はフィルムを入れる前後で１、即ち完全偏光と仮定する。またフィルムの位相差ρはρ＜＜１とする。
フィルムの位相差ρと主軸方位θは数３で表される。

高精度に測定するためには、光軸の異なる複数の偏光子として一体形成されたものが望ましい。即ち、それぞれの偏光子の透過偏光方位角度を高精度に決定できること、各領域を微細にすることができること、各領域の境界を無視できるほど（数十ｎｍオーダー）小さくすることができ損失や散乱などを抑えることができる、などの理由が挙げられる。それらを実現する素子として、例えば特許文献１および特許文献３記載のフォトニツク結晶偏光子が挙げられる。

フォトニック結晶偏光子は領域を微細に分割することができるため、ＣＣＤやＣＭＯＳなどのエリアセンサー、あるいはラインセンサーに組み合わせることに適している。センサーの素子間隔と偏光子の領域が一致していれば直に接着をして一体化することが可能である。さらに結像レンズと組合わせれば、測定領域を格段に広げることができ、大面積の一括計測、高スループットの計測が実現できる。あるいは偏光子とＣＣＤの間にリレーレンズを配置して、偏光子アレイの像をＣＣＤ上に結像しても良い。または偏光子アレイと受光素子の間をファイバ束で繋いでも良い。

フォトニック結晶偏光子は図２のような周期的な溝列を形成した透明材料基板２０１上に、透明で高屈折率の媒質２０２と低屈折率の媒質２０３とを界面の形状を保存しながら、交互に積層する。この図では透過軸が９０°異なる２つの偏光子が一体形成された構造を示している。各領域における各層は面内の一方向（ｘ方向）と面垂直方向（ｚ方向）に周期性があるが、面内の他方向（ｙ方向）は図のように一様であってもよいし、ｘ軸方向より大きい長さの周期的または非周期的な構造を有していてもよい。

このようにして得られた周期構造体にｚ方向から無偏波光または楕円偏光を入射すると、溝列と平行な偏波即ちｙ偏波と、それに直交するｘ偏波とに対して、ＴＥモードまたはＴＭモードの光がそれぞれ周期構造体の内部に励起される。通常、多層膜では光が伝搬できる波長領域と、光が反射されて遮断される波長領域とをもつ。図２のような構造体の場合、その遮断領域に偏波依存性をもたせることができる。例えば、ＴＭ波が透過し、ＴＥ波が反射されるように設計することができる。図２のように、予め基板に作製する溝列の方向を、領域ごとに変えることで偏光方位の異なる偏光子をアレイ状に一体形成することが可能である。

フォトニツク結晶偏光子は、構成する材料の屈折率、充填率、溝列の周期Ｌｘ、積層方向の周期Ｌｚを調整することで、動作波長域を自由に設定することができる。低屈折率媒質としてはＳｉＯ２を主成分とする材料が最も一般的であり、透明波長領域が広く、化学的、熱的、機械的にも安定であり、成膜も容易に行なえる。しかしながらその他の光学ガラスでもよく、ＭｇＦ２のようにより屈折率の低い材料を用いてもよい。高屈折率材料としては、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体や、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などの酸化物や窒化物が使用でき、透明波長範囲が広く、可視光領域でも使用できる。一方、半導体は、近赤外域に限定されるが、屈折率が大きい利点がある。

作製方法を次に説明する。まず、図２に示すように石英ガラスからなる基板上に電子ビームリソグラフィとドライエッチングにより周期的な溝を形成する。あるいはフォトリソグラフィや干渉露光、ナノインプリントを用いても良い。この基板上に、ＳｉO2およびＴa2O５のターゲットを用い、バイアス・スパッタリング法（あるいはスパッタ成膜とスパッタエッチングを組み合わせたプロセス）により、ＳｉＯ２層とＴa2O５層を交互に積層する。そのとき、各層のｘ軸方向に周期的な凹凸の形状を保存しながら成膜を行なうことが肝要である。これは特許文献２記載にある自己クローニング技術と呼ばれており、再現性、均一性が高く、工業的に微細な周期構造（フォトニック結晶）を作製する優れた手法である。

本発明の位相差測定装置および方法は、透明フィルムあるいは基板の有する微小な位相差および光軸方向を測定するものである。大面積を高効率に測定できることが特長であり、大面積の光学フィルムの位相差および方位の検査工程や、液晶パネルの組立て検査など用途は広く、従来の装置を置き換えることが可能になる。

図１は本発明の位相差測定装置の構造を示す図である。スペクトルの狭い光源１０１の後段に、偏光子１０２および位相板１０３を配置することで入射光の偏光状態を制御する。ここでは一例として、ほぼ円偏光が出射されるように、位相板のリタデーションをほぼ１／４波長であり、光軸を偏光子の透過軸に対して４５°に設定する。ただしこの組合わせに限定されているものではない。入射光は理想的には円偏波が望ましいが、楕円率が１より小さくとも予め既知であれば問題はない。次に測定されるフィルムあるいは基板１０４を配置し、フォトニック結晶偏光子アレイ１０５の各領域を透過した光強度を受光素子１０６で測定する。大面積を一括して測定することは、高速性を実現する一つの方法である。そのための方法としては受光素子をＣＣＤやＣＭＯＳのようなエリアセンサーあるいはラインセンサーとし、撮像レンズ１０７を用いる。

偏光子アレイとしては特許文献１に記載されているフォトニック結晶からなる偏光子を用いる。偏光子アレイのパタンの１例を図１に示す。１８０度を２２．５°ステップで変化する８列の短冊状領域で構成する。ただしステップ数は任意に設定することができる。各偏光子の透過軸の方位と受光強度の関係は、正弦波で振動する成分とＤＣ成分の合成で表される。正弦波成分の振幅と位相およびＤＣ成分とを、フィッティングやフーリエ解析などから求め、それらの値から光の偏光情報、即ち楕円率および主軸方位を求めることができる。
一例として図５に、偏光子方位角を横軸に、受光される光強度を縦軸にプロットしたグラフを示す。ここで円偏光を入射し、フィルムの位相差と主軸方位をパラメータにしている。入射光の受光強度は偏光子の方位角によらずに０．５で一定である。フィルムのリタデーションが１°の場合、受光強度が正弦波成分を持つことが分かる。またその位相（ピークとなる偏光子の方位角）は、主軸方位によって変化している。さらにリタデーションが３°になると、正弦波の振幅が大きくなっていることがわかる。このように強度の変化がわかれば、フィルムの位相差と主軸方位が求められることが分かる。

フィルムのない状態の偏光状態を基準として、フィルムを光学系に挿入したときの偏光状態の変化から、フィルムのリタデーションと主軸方位を求めることができる。解析方法としては前述した方法を用いても良いし、数値的に解析を行なっても良い。

図１ではフィルムが矢印で記載したｘ軸方向に移動しているものとする。また偏光子の透過軸はｘ軸方向に変化している。エリアセンサで取得する１画像より、偏光情報をｙ軸方向に並列して取得することができる。

偏光子アレイのパタンのもう一つの例を図３に示す。１８０°を１１．２５°ステップで変化する正方形領域のモザイクパタンである。ｘ方向には１１．２５°ステップで変化するが、ｙ方向には４５°ステップで変化する。４×４の領域で、０°から１８０°までのパタンが配置されており、その領域の平均的な位相差および光軸方位を測定することができる。ただしパタンは様々な組み合わせがあり、例えば４分割して４５°ステップで２×２に配置しても、あるいは９分割して２０°ステップで３×３に配置しても良い。

このパタンの場合、エリアセンサで取得する１枚の画像をＮ×Ｍ個の領域に分割して、それぞれに位相差と主軸方位を求めることができる。画像取得の速度と、フィルムが測定領域を移動する速度が一致していれば、大面積のフィルム全面に渡って測定することができる。

図４は本発明の実施例を示す図である。この方法では入射光として直線偏波に近く、方位の異なる４種類の光を入射して測定する方法である。光源１０１から出射された光は偏光子３０１を通る。ここで偏光子のパタンは図４のように２つの領域に分割されており、透過軸が互いに４５°異なるように配置されている。次に僅かな位相差を有するリターダー３０２を配置する。リターダーの光軸は図４のように、各偏光子の領域を２つに分割する大きさであり、光軸はそれぞれの偏光子の光軸に対して±４５度だけ異なるように配置されている。ただし主軸の角度は４５度に限定されるものではなく、それよりも大きくても小さくても良い。また位相差は９０°よりは十分小さく、例えば５°とする。このような光学素子の配置により、４つの異なる楕円偏波状態の光が被測定フィルム１０４に照射されることになる。ここでは光照射面積は用途や要求によって任意に変えることが出来る。即ちＣＣＤ素子を使ってフィルム特性を面情報として取得するためには、光源も大きい面積が有効である。あるいは個別のレーザとフォトダイオードの組み合わせでも良い。

被測定フィルムは位相差が小さく、主軸は任意とする。またフィルムは矢印の方向に移動しているものとする。フィルムを透過した光は、レンズ１０７で集光され、偏光子アレイ３０３を通して受光素子１０６で受光される。偏光子アレイのパタンは図４（ｂ）に示す。偏光状態の異なる４つの照射光に対応しており、それぞれの偏光子の方位は光源側に配置した偏光子と９０°（クロスニコルの状態）をなす方向を中心に変化している。ここでは２度ステップで±１０°変化している。

次に解析方法について説明する。リターダー３０２の位相差をρ０、主軸方位をθ０、被測定フィルム１０４の位相差をρｘ、主軸方位をθｘとする。２枚を透過した後の楕円率εは、それぞれの位相差が小さく、２次の項を無視できるとすると数４で表される。

また偏光子３０１の透過軸方位をφとし、４つの入射偏光状態の組み合わせとして、（１）φ＝０、θ０＝π／４、（２）φ＝０、θ０＝π／４、（３）φ＝０、θ０＝π／４、（４）φ＝０、θ０＝π／４とする。
θｘとρｘは数５で表される。

即ち、それぞれの偏光状態の楕円率だけを測定することにより、フィルムの位相差と任意の主軸方位を求めることができることが特徴である。透過光の楕円率を測定する方法としては、アナライザの回転角に対応した受光強度データにおける最小値付近を詳細にカーブフィッティングする方法が適している。その他にも、最大値と最小値の比でもよいし、フーリエ変換から求めても良い。

本発明を表わす位相差および主軸方位の測定装置の構成 フォトニック結晶偏光子の構造を表す図 本発明を構成する偏光子アレイのパタンを表す図 本発明の実施例を表わす図 偏光子の方位角と受光強度の関係 本発明の実施例を説明する図

符号の説明

１０１ 光源
１０２ 第一の偏光子
１０３ １／４波長板
１０４ 被測定フィルム
１０５ 偏光子アレイ
１０６ エリアセンサ
１０７ 撮像レンズ
２０１ 溝列を形成した基板
２０２ 高屈折率材料
２０３ 低屈折率
３０１ 偏光子
３０２ 既知の位相板
３０３ 偏光子アレイ

Claims (4)

1. 任意の主軸方位および位相差を有する透明基板あるいは透明フィルムの面に対し、偏光子及び１／４波長板を介して円偏光もしくは既知の楕円偏光を入射する面発光光源と、
   前記透明基板あるいは透明フィルムの面を透過した光の偏光状態を複数の測定点で同時に測定する偏光状態測定手段と、
   前記面発光光源と前記偏光状態測定手段の間に配置され、前記透明基板あるいは透明フィルムの面を透過した光を前記偏光状態測定手段に集光する撮像レンズと、を備え、
   前記偏光状態測定手段は、
   透過偏光の方向が領域ごとに異なるようにパタン化された偏光子と、その各領域を通過した光の強度を独立に受光することのできる受光素子とを具備しており、かつ複数の測定点を同時に測定することを特徴とする、
   位相差および主軸方位の測定装置
2. 任意の主軸方位および位相差を有する透明基板あるいは透明フィルムの面に対し、偏光子及び１／４波長板を介して長軸方向が異なる２つ以上の既知の楕円偏光を並列に入射する面発光光源と、
   前記透明基板あるいは透明フィルムの面を透過した光の偏光状態を複数の測定点で同時に測定する偏光状態測定手段と、
   前記面発光光源と前記偏光状態測定手段の間に配置され、前記透明基板あるいは透明フィルムの面を透過した光を前記偏光状態測定手段に集光する撮像レンズと、を備え、
   前記偏光状態測定手段は、
   透過偏光の方向が領域ごとに異なるようにパタン化された偏光子と、その各領域を通過した光の強度を独立に受光することのできる受光素子とを具備しており、かつ複数の測定点を同時に測定することを特徴とする、
   位相差および主軸方位の測定装置
3. 透過偏光の方向が領域ごとに異なるようにパタン化された偏光子がフォトニック結晶偏光子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の位相差および光軸方位の測定装置
4. 受光素子としてエリアセンサを用いていることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の位相差および光軸方位の測定装置

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