JPH11153513A

JPH11153513A - 光学的視野角測定装置

Info

Publication number: JPH11153513A
Application number: JP31875897A
Authority: JP
Inventors: Koichi Oka; 宏一岡; Masayoshi Funato; 正好船戸; Akira Kawaguchi; 晃川口; Tetsuo Hamada; 哲男浜田; Norio Tsujio; 典男辻尾; Kazunori Tsutsui; 和典筒井
Original assignee: Otsuka Electronics Co Ltd
Current assignee: Otsuka Electronics Co Ltd
Priority date: 1997-11-19
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 1999-06-08
Anticipated expiration: 2017-11-19
Also published as: JP3231268B2

Abstract

(57)【要約】【課題】視野角特性を広い角度範囲にわたって精度よ
く、迅速かつ簡便に測定することのできる光学的視野角
測定装置を実現すること。【解決手段】第１焦点の近傍に配置される試料から出射
される光を第２焦点位置に集光する楕円面ミラー２４
と、第２焦点位置に配置され、楕円面ミラー２４の表面
にできた像を結像する結像レンズ２５と、結像レンズ２
５により結像された像を記録するカメラ２６と備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、観察する角度（視
野角）によって被測定物（試料）の偏光特性、散乱角特
性、反射率、透過率、輝度、色度などの光学特性が変化
する場合に、これらの光学特性の角度分布を測定する光
学的視野角測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光学的視野角を測定する場合、従来よ
り、ｆθレンズを用いて、試料からの出射角度に応じた
２次元光強度分布を測定する測定装置が提案されている
（特開平５−２８８６３８号、特開平８−３２０２７３
号公報）。この測定装置によれば、光検出器を光出射点
の回りに移動させる必要はなく、視野角特性を同時測定
できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記ｆθレ
ンズを使用する方式では、試料からの出射光が法線とな
す角度が大きくなった場合、対応困難という問題があ
る。詳しくいうと、出射光が法線となす角度が大きくな
った場合でも、収差のないレンズを設計しなければなら
ないが、一般に開口角が６０°以上の場合には収差のな
いレンズの設計は困難になる（特開平８−１３６２３８
号公報参照）。

【０００４】液晶表示素子を例にとると、現在、視野角
範囲は７０°まで広角化しており、光学的視野角測定装
置として、８０°以上の視野角に対応できる装置が望ま
れている。さらに、視野角が大きくなるとｆθレンズと
試料の測定面との距離を小さくせざるを得なくなり、測
定装置を操作するときに測定面とレンズが接触する危険
性が高くなる。

【０００５】そこで、本発明は、視野角特性を広い角度
範囲にわたって精度よく、迅速かつ簡便に測定すること
のできる光学的視野角測定装置を実現することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の光学的視野角測
定装置は、第１焦点の近傍に配置される試料から出射さ
れる光を第２焦点位置に集光する楕円面ミラーと、前記
第２焦点位置に配置され、楕円面ミラーの表面にできた
像を結像する結像手段と、結像手段により結像された像
を記録する撮像手段とを備えることを特徴とする光学的
視野角測定装置ものである。

【０００７】本発明の作用を本発明の具体的構成を示す
図である図１を参照して説明する。楕円面ミラー２４の
第１焦点近傍の位置に設置された試料２３から出射され
た光は、楕円面ミラー２４で反射集光され、楕円面ミラ
ー２４の第２焦点位置に配置された結像レンズ２５を通
して、撮像手段であるカメラ２６に入射される。カメラ
２６の記録面に結像された像は、楕円面ミラー２４の鏡
面にできた像を写しており、試料から出射される光の出
射角（視野角）に対応している。この像は、楕円面ミラ
ーという性質上、無収差の像であることも大きな特徴で
ある。

【０００８】図２は、視野角を説明するための座標図で
ある。図のように、平面的な試料２３を想定し、その試
料２３の上の測定対象となる位置を原点にとる。直交座
標系ｘ，ｙ，ｚを図のようにとり、ｙ軸から光線の方向
に角度θをとり、ｘｚ面に投影された光線がｘ軸となす
角度φをとる。これらの角度θ，φを視野角という。視
野角θ，φにより楕円面ミラー２４の鏡面上の位置を特
定することができる。

【０００９】図３は、楕円面ミラー２４の鏡面上に写っ
た角度θ、角度φの投影図である。この投影図の実像
が、結像レンズ２５の作用によって、カメラ２６の記録
面に結ばれる。したがって、視野角に応じた試料の偏光
特性、散乱角特性、反射率、透過率、輝度、色度などの
光学特性を測定することができる。しかも視野角の範囲
は、無収差であって、かつ図３に例示したように、θ＝
０°からθ＝９０°、φ＝−２０°（３４０°）からφ
＝２００°と広い範囲にわたっている。

【００１０】なお、楕円面ミラー２４の曲率が理想的な
ものからずれていることも十分考えられる。この場合
は、図３に示す投影図が、計算上の分布と食い違ってく
るので、視野角が予め既知の標準試料（例えば透過型グ
レーティング）を使って、分布を補正しておく必要があ
る。本発明の光学的視野角測定装置は、楕円面ミラーの
反射を利用して、試料を照明する照明光源をさらに備え
るものでもよい（請求項２）。

【００１１】本発明の光学的視野角測定装置は、照明光
源から照明される光の偏光面を変化させることができる
偏光子と、試料からの出射光の偏光を検出する検光子と
をさらに備えるものでもよい（請求項３）。これによれ
ば、試料の偏光特性を測定することができる。前記照明
光源の例として、試料に照射する光の波長を可変するモ
ノクロメータがある（請求項４）。これによれば、試料
からの出射光の色度特性を測定することができる。

【００１２】前記照明光源は、反射照明光源でもよく
（請求項５）、透過照明光源でもよい（請求項６）。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面を参照しながら詳細に説明する。図４は、光学的
視野角測定装置の全体構成を示すブロック図である。光
学的視野角測定装置は、回転楕円面ミラー２４と、結像
レンズ２５と、撮像用カメラ２６と、各種可動部材を動
かすための各種モータ２７とを含む光学系２１を備えて
いる。

【００１４】さらに、光学的視野角測定装置は、試料の
一例としての液晶表示素子２３を照射するための単色光
を発生する照明光源３２と、照明光源３２の光を光学系
２１に導く光ファイバ３５（この光ファイバ３５の代わ
りにミラー系を用いてもよい）と、カメラ２６からの画
像データを取り込むとともに露光時間などのパラメータ
を制御するカメラ制御部３１と、液晶表示素子２３を駆
動する信号を発生する液晶駆動部３３と、モータコント
ローラ３４と、全体を制御するコンピュータ１４と、表
示装置１５と、キーボード１６とを備えている。なお、
試料は、液晶表示素子限らず、発光ダイオード、光ファ
イバの出射端、フィルム、カラーフィルタなどどんなも
のを用いてもよいことを予め断っておく。

【００１５】前記照明光源３２は、白色照明光源３２ａ
とモノクロメータ３２ｂとの組合せを想定している。モ
ノクロメータ３２ｂ波長の選択は、コンピュータ１４ら
の制御によって行われる。しかし、モノクロメータ限ら
ず、レーザ照明光源であってもよく、単色光を発生する
代わりに、多色光を発生する照明光源若しくはハロゲン
ランプ、Ｘｅランプ、メタルハライドランプなどの白色
光を発生する照明光源であってもよい。要するにどのよ
うな照明光源を使用するかは試料２３の測定条件に応じ
て決められるものである。また、試料２３が自ら発光す
るものであれば、この照明光源３２は、使用しなくても
よい。レーザ照明光源の場合、出射光が直線偏光であれ
ば、偏光特性が測定に影響しないように１／４波長板を
用いて円偏光にして使用してもよい。

【００１６】前記カメラ２６は、撮像した画像を記憶す
るものであれば何でもよく、例えばＣＣＤカメラなど画
像を電気信号に変換するものでもよく、光学カメラのよ
うに画像をフィルムに化学的に記録するものでもよい。
図４ではＣＣＤカメラを想定している。モータ２７及び
モータコントローラ３４は、試料２３の姿勢制御、試料
２３への光の照射軸、偏光子、検光子、位相差板など各
種の光学素子の回転、移動などを行うものである。

【００１７】図５は、光学系２１の第１の具体例を示す
詳細な構成図である。この第１の具体例では、液晶表示
素子２３が自己発光型である場合を想定している。液晶
表示素子２３を照射するための照明光源は使用しないの
で図示していない。光学系２１は、試料２３を置いて、
任意の姿勢に保つためのステージ２８と、第１焦点の近
傍に配置される試料２３から出射される光を第２焦点位
置に集光する回転楕円面ミラー２４と、回転楕円面ミラ
ー２４からの反射光を通すアパーチャ２９と、回転楕円
面ミラー２４の第２焦点に配置され、回転楕円面ミラー
の表面にできた像を結像させる結像レンズ２５と、結像
レンズ２５により結像された像を記録するカメラ２６と
を備える。なお、カメラ２６の前面に光学フィルタを配
置してもよい。例えば、測定に必要のない波長を除去す
る波長カットフィルタや、カメラの感度を人間の目の感
度に近似させるＹ視感度フィルタや、試料からの光を減
光する減光フィルタなどである。また、色度及び輝度を
測定するための３刺激値フィルタを選んで配置してもよ
い。

【００１８】回転楕円面ミラー２４の焦点距離は、第１
焦点距離ｆ１が５５ｍｍ、第２焦点距離ｆ２が６００ｍ
ｍのものを使用した。試料２３と回転楕円面ミラー２４
の下端面との距離は８ｍｍ確保でき、試料２３の設置に
特別な注意を要しない。図６は、光学系２１の第２の具
体例を示す詳細な構成図である。この第２の具体例で
は、反射率を測定するため液晶表示素子２３を照射する
照明光源３２が使用されている。

【００１９】この照明光源３２は、光源３２ｈと、光軸
上を移動可能なレンズ３２ｃと、そのレンズ３２ｃの出
射側に配置される虹彩絞り３２ｄと、光源３２ｈからの
光を楕円面ミラー２４の第１焦点に投影するための反射
ミラー３２ｅとを備えている。なお、反射ミラー３２ｅ
の位置は、光源３２ｈからの光を楕円面ミラー２４の第
１焦点の真上（θ＝０）の点に投影するように図示され
ているが、これに限らず、反射ミラー３２ｅの位置、角
度を変えることにより、θ＝０°から数十度までの範囲
で楕円面ミラー２４に投影することができる。

【００２０】レンズ３２ｃは、照明光源のスポットを試
料２３の上に結んだり、無限遠に結んだりするための調
整部材である。スポット径は、光源の虚像が楕円面ミラ
ーの第２焦点の位置に置かれるようにレンズ３２ｃの位
置を決めたとき、最小になる。照明光の開口角は虹彩絞
り３２ｄにより調節する。また、正反射の位置に減光フ
ィルタ３２ｆを配置している（図６では照明光の試料へ
の入射角θが０°になっているため、減光フィルタ３２
ｆは、反射ミラー３２ｅの影に隠れている）。この減光
フィルタ３２ｆは、試料２３からの正反射光を減光する
ための減光フィルタ（ＮＤフィルタ）である。この減光
により、正反射成分を抑え拡散成分測定のダイナミック
レンジを確保することができる。

【００２１】図７は、光学系２１の第３の具体例を示す
詳細な構成図である。この第３の具体例では、液晶表示
素子２３を下から透過照明するために照明光源３２を配
置している。液晶表示素子２３を下から透過照明するた
めに、ステージ２８の下半分にも楕円面ミラー２４ａを
配置している。この楕円面ミラー２４ａは、集光用の楕
円面ミラー２４と合わせて、１個の楕円面ミラーから切
り出されるので、焦点距離ｆ１，ｆ２の値も同じで焦点
位置がずれるという心配がない。照明光源３２は、図６
で用いていたものを反対側に回転させて用いる。このよ
うにすることで、１台の照明光源３２で透過率、反射率
を測定することができ、小型で安価な光学的視野角測定
装置を実現できる。

【００２２】透過率測定においても、直接透過光が強い
ときは、拡散成分測定のダイナミックレンジをとるため
に、減光フィルタ３２ｆを使用する。図８は、光学系２
１の第４の具体例を示す詳細な構成図である。この第４
の具体例は、液晶表示素子２３の偏光特性を測定するた
めの構成となっている。照明光源３２が実線の位置にあ
る時には、反射率偏光特性の測定ができ、照明光源３２
が破線の位置にある時には、透過率偏光特性の測定がで
きる。

【００２３】照明光源３２には偏光子２０ｇが設けら
れ、楕円面ミラー２４と結像レンズ２５との間には、位
相差板３０ａと検光子３０ｂとが設けられている。偏光
子２０ｇ、位相差板３０ａ、検光子３０ｂは、いずれも
偏光面が回転できる構造になっていて、これらの回転角
を所定の角に組み合わせることによって、試料による偏
光の楕円率（tan φ）や位相差（cos Δ）偏光面の回転
方向などの物理量を、視野角の関数として求めることが
できる。

【００２４】なお、偏光子２０ｇ、位相差板３０ａ、検
光子３０ｂは、偏光特性を測定しないときには、自動的
に光軸から退避できるようにしている。次に、光散乱強
度測定装置の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳
細に説明する。図９は、光散乱強度測定装置の概略図で
ある。

【００２５】光散乱強度測定装置は、測定試料を収容す
るガラス製の試料セル１と、この試料セル１にミラー２
ａ，２ｂ、集光レンズ３ａ，３ｂ、ピンホール４を通し
てレーザ光線を投射するレーザ装置５とを備え、さらに
試料からの散乱光を結像レンズ１２に集光させるための
楕円面ミラー６と、楕円面ミラー６からの反射光を通す
アパーチャ１１と、結像レンズ１２と、ＣＣＤカメラ１
３とを配置している。結像レンズ１２は、楕円面ミラー
６の鏡面にできた像をＣＣＤカメラ１３の撮像面に結像
させるものである。７は試料セル１を真っ直ぐ透過した
レーザ光線を吸収する吸収板であり、透過したレーザ光
線がガラスウィンドウ８などに当たって反射・散乱され
ることを防ぐ。ピンホール４やアパーチャ１１は、レー
ザ光の周りの余分な迷光をカットし、きれいなレーザ光
プロファイルを作る役割を果たしている。

【００２６】なお、図９では、レーザ装置５の位置は、
平面作図の都合で試料セル１の上になっているが、試料
セル１に光を入射できるものであれば、この位置に限ら
れるものではなく、例えば試料セル１と同じ高さに置い
てもよい（この場合ミラーの配置はもちろん変わってく
る）。楕円面ミラー６は、図１０(a) に示すように回転
楕円体の表面を輪切りにして内面を鏡面としたものであ
る。回転楕円体の性質により、一方の焦点６１から出た
光は、楕円面ミラー６に当たり、他方の焦点６２に集束
する。なお、楕円面ミラー６は必ずしも１周した輪状に
なっている必要はなく、図１０(b) に示すように、一部
が欠けていてもよい。要するに、測定したい散乱角の範
囲にわたってミラーが存在していればよい。

【００２７】この光散乱強度測定装置は、前記の回転楕
円体の性質を利用して、一方の焦点を試料セル１に置
き、他方の焦点は、結像レンズ１２に置いている。した
がって、試料セル１から出た散乱光で楕円面ミラー６に
当たったものは、楕円面ミラー６で反射されて結像レン
ズ１２に集光し、ＣＣＤカメラ１３に入射する。図１１
は、光散乱強度測定装置の具体的構造を示す図である。
図１１において、試料セル１にレーザ光線を投射するた
めのレーザ装置、ミラー、集光レンズの図示は省略して
いる。

【００２８】試料セル１は、高屈折率の液体を満たした
恒温液浸バスの中にセットされ、試料セル１から出た散
乱光は、ガラスウィンドウ８を透過して、楕円面ミラー
６に当たり反射される。試料セル１の直下には楕円面ミ
ラー６により反射された光を折り返す平面ミラー１０が
配置されている。この平面ミラー１０は、反射光を折り
返すことにより装置全体の高さを抑える効果をもたら
す。

【００２９】平面ミラー１０により折り返された光は、
アパーチャ１１、結像結像レンズ１２を通りＣＣＤカメ
ラ１３に入射する。ＣＣＤカメラ１３は非常に高い位置
分解能（例えば５１２×５１２画素）の受光素子を使用
しており、これにより、測定角度分解能として散乱角１
°以下という高分解能のデータを得ることが可能であ
る。

【００３０】図１２は、ＣＣＤカメラ１３の撮像面に生
じた散乱光の強度パターンを示している。この散乱光の
パターンは、図１０(b) に示した約半分が欠けた輪状の
楕円面ミラー６のミラー面の結像パターンであり、散乱
角θが５°から１７５°という角度範囲をカバーしてい
る。このパターンを散乱角θを横軸にとりθの関数とし
てグラフにしたものが図１３である。

【００３１】このように、光学系を構成する要素を動か
すことなしに、広い角度での散乱光強度データを一度に
取得することができる。なお、試料からの散乱光を結像
レンズ１２に集光させるのに、楕円面ミラー以外に、図
１４(a) に示すような三角錐の一部を輪切りにしたミラ
ー６ｂや、図１４(b) に示すような球面の一部を輪切り
にしたミラー６ｃを使用してもよい。これらのミラー６
ｂ，６ｃを使うときは、楕円面ミラー６のように１つの
焦点から出て楕円面ミラー６に当たった光が無収差で他
の焦点に集まることはないが、輪の幅Ｗを小さくするこ
とで１つの焦点から出てミラー６ｂ，６ｃに当たった光
をほぼ１点に集めることは可能である。したがってこれ
らのミラー６ｂ，６ｃ使っても、楕円面ミラー６を使っ
たのと遜色ない精度で散乱光のデータを得ることができ
る。

【００３２】この光散乱強度測定装置によれば、散乱光
の角度依存性を、非常に広い角度範囲で、しかも光学系
を構成する要素を動かすことなしに一度に測定すること
ができるので、測定の時間効率を格段に向上させること
ができる。したがって、従来測定が難しかった経時変化
を起こす試料の測定が可能となる。また、光学系の構成
要素に可動部分がないので、測定の安定性・信頼性が向
上し、装置の寿命も長くなる。光学系構成部品が少ない
ので、コスト面や製作面で利点がある。

【００３３】

【発明の効果】以上のように本発明の光学的視野角測定
装置によれば、試料から出射された光を楕円面ミラーで
集光し、結像することができるので、全ての視野角特性
を一度に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の作用を説明するための図である。

【図２】視野角を説明するための座標図である。

【図３】楕円面ミラーの鏡面上に写った投影図である。

【図４】光学的視野角測定装置の全体構成を示すブロッ
ク図である。

【図５】自己発光形の試料の視野角特性を測定する光学
系の第１の具体例を示す詳細な構成図である。

【図６】反射型の試料の視野角特性を測定する光学系の
第２の具体例を示す詳細な構成図である。

【図７】透過型の試料の視野角特性を測定する光学系の
第３の具体例を示す詳細な構成図である。

【図８】反射型又は透過型の試料の偏光視野角特性を測
定する光学系の第３の具体例を示す詳細な構成図であ
る。

【図９】光散乱強度測定装置の概略図である。

【図１０】回転楕円体の表面を輪切りにして内面を鏡面
とした楕円面ミラーを示す図である。

【図１１】光散乱強度測定装置の具体的構造を示す図で
ある。

【図１２】ＣＣＤカメラの撮像面に生じた散乱光の強度
パターンを示す図である。

【図１３】散乱光の強度パターンを散乱角θの関数とし
て示すグラフである。

【図１４】三角錐の一部を輪切りにしたミラー６ｂや、
球面の一部を輪切りにしたミラー６ｃを示す図である。

【符号の説明】

１試料セル２ａ，２ｂミラー３ａ，３ｂ集光レンズ４ピンホール５レーザ装置６楕円面ミラー１０平面ミラー１１アパーチャ１２結像レンズ１３ＣＣＤカメラ１４コンピュータ１５表示装置２１光学系２３液晶表示素子２４回転楕円面ミラー２５結像レンズ２６撮像用カメラ２７モータ３１カメラ制御部３２照明光源３２ｆ減光フィルタ３３液晶駆動部３４モータコントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者辻尾典男大阪府枚方市北船橋町14−１ (72)発明者筒井和典大阪府枚方市楠葉面取町１丁目15−２− 202

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料から出射される光強度の角度分布を測
定することのできる光学的視野角測定装置において、第１焦点の近傍に配置される試料から出射される光を第
２焦点位置に集光する楕円面ミラーと、前記第２焦点位置に配置され、楕円面ミラーの表面にで
きた像を結像する結像手段と、結像手段により結像された像を記録する撮像手段とを備
えることを特徴とする光学的視野角測定装置。
【請求項２】前記楕円面ミラーの反射を利用して、試料
を照明する照明光源をさらに備えることを特徴とする請
求項１記載の光学的視野角測定装置。
【請求項３】前記照明光源から照明される光の偏光面を
変化させることができる偏光子と、試料からの出射光の
偏光を検出する検光子とをさらに備えることを特徴とす
る請求項２記載の光学的視野角測定装置。
【請求項４】前記照明光源は、試料に照射する光の波長
を可変するモノクロメータであることを特徴とする請求
項２記載の光学的視野角測定装置。
【請求項５】前記照明光源は、反射照明光源である請求
項２記載の光学的視野角測定装置。
【請求項６】前記照明光源は、透過照明光源である請求
項２記載の光学的視野角測定装置。