KR101460802B1

KR101460802B1 - 위상차 측정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101460802B1
Application number: KR1020080030796A
Authority: KR
Inventors: 이치로 아미모리; 후미오 오바타; 고우키 다카하시
Original assignee: 후지필름 가부시키가이샤
Priority date: 2007-04-06
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2014-11-11
Also published as: JP2008256590A; KR20080090994A; JP5116345B2; CN101281092A

Abstract

[과제] 산란, 흡수 또는 편광 해소를 나타내는 시료의 위상차를 정확하게 결정할 수 있는 방법의 제공

[해결 수단] 광원, 편광자, 시료, 검광자, 및 분광기가 이 순서로 배치되어 있는 광학계로 측정된 분광 스펙트럼으로부터 그 시료의 위상차를 결정하는 방법으로서, 그 시료의 위상차의 영향이 없는 그 시료의 분광 스펙트럼 데이터를 준비하는 것, 그 편광자의 투과축과 그 시료의 광학축과 그 검광자의 투과축의 배치를 그 시료의 위상차가 검출되는 배치로 하여 측정되는 적어도 1 개의 분광 스펙트럼을 측정하는 것, 및 상기 분광 스펙트럼 데이터에 의해 상기 분광 스펙트럼을 보정하는 것을 포함하는 방법.

광학계, 분광 스펙트럼, 위상차

Description

위상차 측정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING PHASE DIFFERENCE}

본 발명은 위상차의 결정 방법에 관한 것으로서, 특히 산란, 흡수 또는 편광 해소에 의해 투과율이 저하된 시료의 위상차를 분광기를 이용하여 정확하게 결정할 수 있는 위상차의 결정 방법, 및 그 방법을 이용한 위상차 측정 장치에 관한 것이다.

위상차의 측정은 액정 디스플레이 (LCD) 용의 위상차 필름의 평가나 광 디스크, 플라스틱 등의 광학 소자의 품질 관리 등에 있어서, 그 필요성이 증가하고 있으며, 정밀도와 함께 간편성 등이 요구되고 있다.

위상차 측정 방법으로서는, 엘립소메트리에 의한 편광 해석을 이용하는 방법이 알려져 있다. 엘립소메트리는 편광자나 보상자를 고속으로 회전시키는 기구 또는 광 탄성 변조기 (PEM) 또는 좌우 원편광 헤테로다인 간섭법 등 편광 혹은 위상을 변조시키는 방법과, 취득한 데이터를 고속 연산 처리하기 위한 장치 등으로 이루어지고, 정밀도 높은 위상차의 측정이 가능하다. 그러나, 이 방법은 원리적으로 복잡하고 고가의 방법이다. 또한, 단일 파장에서의 측정 데이터에 기초 하는 방법이기 때문에, 특히 액정 디스플레이 (LCD) 용의 위상차 필름의 평가를 실시할 때와 같이 가시광 전역의 위상차의 측정이 필요한 경우에는, 모노크로미터 등으로 파장을 스캔하여 데이터를 취득할 필요가 있어, 고속으로 위상차의 파장 분산 측정을 할 수 없다는 문제가 있다.

그 밖의 위상차 측정 방법으로서는, 예를 들어 특허 문헌 1 에 기재된 방법이 있다. 이 방법은 파라니콜의 편광자/검광자 사이에 배치한 시료를 1 회전시켰을 때의 단색광의 투과광 강도의 각도 의존성으로부터 위상차를 구하는 방법으로서, 편광이나 위상의 변조의 필요가 없고 필요로 하는 데이터량도 적다. 그 때문에 이 방법을 이용한 측정 장치는 염가의 구성이 가능한 장치로서, 현재 시판되고 있다. 그러나, 이 방법에서는 위상차는 투과광 강도에 기초하여 구해지기 때문에, 흡수, 산란 혹은 편광 해소 등을 나타내는 시료의 위상차를 결정할 때에는 큰 오차가 생기기 쉽다.

또한, 비특허 문헌 1 이나 특허 문헌 2 및 3 에 개시되는 바와 같이, 분광 광도계 등에 의해 얻어지는 투과 스펙트럼을 이용하여 위상차를 측정하는 방법이 알려져 있다. 이 방법은 필요로 하는 파장 범위에 있어서, 위상차의 파장 분산을 간편하게 측정할 수 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 제2791479호

[비특허 문헌 1] West 외, Journal of Optical Society of America, vol. 39, p.791-794(1949).

[특허 문헌 2] 일본 특허 제3777659호

[특허 문헌 3] 일본 공고특허 공보 평5-18370호

위상차 필름 등의 측정 대상은 무색 투명한 경우가 많기 때문에, 종래의 위상차 측정 방법에 있어서는 모두, 측정된 투과광 강도가 시료 자체의 광 흡수, 산란 혹은 편광 해소의 영향은 고려되어 있지 않다. 그러나, 시료가 유색인 경우, 적층 구조를 갖는 필름인 경우나, 시료에 어떠한 결함이 있는 경우, 시료에 흡수 등이 생기는 일이 있기 때문에, 투과광 강도를 이용하는 종래의 위상차 측정 방법에 있어서는 정확한 측정은 불가능하다. 그래서, 본 발명에 있어서는, 산란, 흡수 또는 편광 해소를 나타내는 시료의 위상차를 정확하게 결정할 수 있는 방법의 제공을 과제로 한다.

본 발명자들은 상기 과제의 해결을 위하여 예의 연구를 실시한 결과, 분광 광도계 등에 의해 얻어지는 분광 스펙트럼을 이용하여 위상차를 측정하는 방법으로서, 시료 자체의 광 흡수, 산란 혹은 편광 해소의 영향을 고려하여 정확하게 위상차를 측정하는 방법을 알아내어, 이 지견에 기초하여 본 발명을 완성하였다. 즉, 본 발명은 하기 [1] ∼ [9] 를 제공하는 것이다.

[1] 광원, 편광자, 시료, 검광자, 및 분광기가 이 순서로 배치되어 있는 광학계로 측정된 분광 스펙트럼으로부터 그 시료의 위상차를 결정하는 방법으로서,

그 시료의 위상차의 영향이 없는 그 시료의 분광 스펙트럼 데이터를 준비하는 것,

그 편광자의 투과축과 그 시료의 광학축과 그 검광자의 투과축의 배치를 그 시료의 위상차가 검출되는 배치로 하여 측정되는 적어도 1 개의 분광 스펙트럼을 측정하는 것, 및

상기 분광 스펙트럼 데이터에 의해 상기 분광 스펙트럼을 보정하는 것을 포함하는 방법.

[2] 광원, 편광자, 시료, 검광자, 및 분광기가 이 순서로 배치되어 있는 광학계로 측정된 분광 스펙트럼으로부터 그 시료의 위상차를 결정하는 방법으로서,

(1) 편광자와 검광자를 파라니콜 배치로 하고, 또한 편광자의 투과축과 시료의 광학축이 이루는 각을 0 또는 90 도로 하여 분광 스펙트럼을 측정하는 것, 및

(2) 편광자와 검광자를 파라니콜 배치 또는 크로스니콜 배치로 하고, 또한 시료의 광학축과 편광자의 투과축이 이루는 각을 45 도로 하여 분광 스펙트럼을 측정하는 것

(3) (2) 에서 얻어지는 스펙트럼에 의해 (1) 에서 얻어지는 스펙트럼을 보정하는 것을 포함하는 방법.

[3] 보정이, (1) 에서 얻어지는 스펙트럼의 파장 λ 에 있어서의 투과율을 (2) 에서 얻어지는 스펙트럼의 그 파장 λ 에 있어서의 투과율로 나눔으로써 행해지는 [2] 에 기재된 방법.

[4] 광원, 편광자, 시료대, 검광자, 및 분광기가 이 순서로 배치되어 있는 광학계, 그리고 하기 (11) 에 의해 (12) 를 보정하는 수단을 포함하는 위상차 측정 장치:

(11) 시료대 상에 배치되는 시료의 위상차의 영향이 없는 그 시료의 분광 스펙트럼 데이터;

(12) 편광자와 검광자를 파라니콜 배치 또는 크로스니콜 배치로 하고, 또한 시료대 상에 배치되는 시료의 광학축과 편광자의 투과축이 이루는 각을 45 도로 하여 측정되는 분광 스펙트럼.

[5] 광원, 편광자, 시료대, 검광자, 및 분광기가 이 순서로 배치되어 있는 광학계, 그리고 하기 (21) 에 의해 (12) 를 보정하는 수단을 포함하는 위상차 측정 장치:

(21) 편광자의 투과축과 시료대 상에 배치된 시료의 광학축과 그 검광자의 투과축의 배치를 그 시료의 위상차가 검출되지 않는 배치로 하여 측정된 분광 스펙트럼;

[6] 광원, 편광자, 시료대, 검광자, 및 분광기가 이 순서로 배치되어 있는 광학계, 그리고 하기 (31) 에 의해 (12) 를 보정하는 수단을 포함하는 위상차 측정 장치:

(31) 편광자와 검광자를 파라니콜 배치로 하고, 또한 편광자의 투과축과 시료대 상에 배치되는 시료의 광학축이 이루는 각을 0 또는 90 도로 하여 측정되는 분광 스펙트럼;

[7] 상기 (12) 를, 코시의 분산식을 이용하여 피팅하는 수단을 추가로 포함하는 [4] ∼ [6] 중 어느 한 항에 기재된 위상차 측정 장치.

[8] 상기 광학계의 편광자와 검광자 사이에 파장판이 배치되어 있는 [4] ∼ [7] 중 어느 한 항에 기재된 위상차 측정 장치.

[9] 측정 파장역내의 2 개 이상의 파장 각각에 있어서, 상기 파장판의 리타데이션값을 0.5 이상의 정수 또는 반정수로 나눈 값이 그 파장과 일치하는 [8] 에 기재된 위상차 측정 장치.

본 발명에 의해, 산란, 흡수 또는 편광 해소를 나타내는 시료의 위상차를 정확하게 측정할 수 있는 위상차 측정 방법 및 장치가 제공된다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

또한, 본 명세서에 있어서 「 ∼ 」 란 그 전후에 기재되는 수치를 하한치 및 상한치로서 포함하는 의미에서 사용된다.

본 명세서에 있어서, 각도에 대하여 기재가 있는 경우에는, 엄밀한 각도와의 오차가 ±1 도의 범위내이면 되고, ±0.1 도의 범위내인 것이 보다 바람직하다.

0 도란 실질적으로 2 개의 축이 이루는 각도가 평행인 상태를 나타내고, 90 도란 실질적으로 2 개의 축이 이루는 각도가 직교하고 있는 상태를 나타낸다.

파라니콜이란 편광자와 검광자의 투과축이 이루는 각도가 0 도인 것을 나타내고, 크로스니콜이란 편광자와 검광자의 투과축이 이루는 각도가 90 도인 것을 나타내지만, 실제로는 후술하는 측정 수단에서 나타내는 바와 같이, 본 발명의 측정 방법에서 이용되는 광학계에 있어서, 시료가 없는 상태에서의 편광자와 검광자의 배치에 대하여, 입사광 투과율이 가장 작은 위치와 가장 큰 위치를 각각 크로스니콜, 파라니콜 위치로 하는 경우도 있다.

본 명세서에 있어서, 「분광 스펙트럼」 이란 「흡수 스펙트럼」, 「산란 스펙트럼」, 및 「투과 스펙트럼」 등을 포함하는 의미이며, 「투과 스펙트럼」 인 것이 바람직하다.

[위상차 측정 원리]

분광 스펙트럼으로부터 시료의 위상차를 결정하는 원리를 이하에 설명한다.

편광 상태와 그것에 기초하는 투과율 등의 광학 특성은 존즈 행렬이나 뮬러 행렬에 의해 기술할 수 있지만, 이하에서는 특히 편광 해소도를 고려할 수 있는 뮬러 행렬로 설명한다. 뮬러 행렬에 의하면, 편광 상태는 스토크스 파라미터로 기술되고, 위상차 필름이나 편광자, 검광자 등을 통과할 때의 각 소자에 의한 편광 상태의 변화가 4×4 의 뮬러 행렬에 의해 기술된다.

먼저, 편광자와 검광자가 크로스니콜이고, 편광자의 투과축에 대하여 광학축이 45 도 기운 위상차 필름의 광의 투과율에 대하여 설명한다.

편광자의 투과축을 기준 방향 (0 도) 으로 하면,

편광자의 뮬러 행렬 Mp 는 식 (1) 과 같이 기술된다.

검광자의 뮬러 행렬 Ma 는 식 (2) 와 같이 기술된다.

편광자의 투과축에 대하여 광학축이 45 도 기운 위상차 필름의 뮬러 행렬 Mr 은 식 (3) 과 같이 기술된다.

여기서, Γ 는 식 (4) 로 표시되는 값이다.

식 중, Re 는 상기 위상차 필름의 위상차이고, λ 는 측정 파장이다. 분광 스펙트럼 측정시에는 λ 가 변수가 된다.

입사광이 편광자를 100% 통과하는 편광인 것으로 했을 때, 바꾸어 말하면 편광자를 통과한 광을 100% 로 했을 때, 이 편광자 → 위상차 필름 → 검광자를 통과하는 스토크스 파라미터는 식 (5) 와 같이 된다.

상기 식 Sout 의 제 1 성분이 광의 투과율이다. 즉, 광의 투과율 T(λ) 는 이하 식 (6) 과 같이 표시된다.

식 (6) 으로부터, 편광자와 검광자가 크로스니콜이고, 편광자의 투과축에 대하여 광학축이 45 도 기운 위상차 Re 의 필름의 광의 투과율 T(λ) 는, 이론상 Re/λ 가 정수일 때에 0 (투과율 0%) 이 되고, Re/λ 가 반정수일 때에 1 (투과율 1 00%) 이 되는 것을 알 수 있다. 도 1 에 Re=2000㎚ 인 시료 (필름) 의 분광 스펙트럼의 예를 나타낸다.

동일하게 편광자와 검광자가 파라니콜로서, 편광자의 투과축에 대하여 광학축이 45 도 기운 위상차 필름의 광의 투과율은, 하기의 식 (7) 로 표시된다.

식 (7) 로부터, 이론상 Re/λ 가 정수일 때에 0 (투과율 0%) 이 되고, Re/λ 가 반정수일 때에 1 (투과율 100%) 이 되는 것을 알 수 있다.

따라서, 편광자, 시료, 및 검광자가 상기 임의의 배치인 경우에, 분광 스펙트럼에 있어서 골짜기(谷)의 위치 (투과율 0%) 인 파장 및 산(山)의 위치 (투과율 100%) 인 파장을 판독함으로써 위상차 Re 의 값을 구할 수 있는 것을 알 수 있다.

[흡수, 산란의 영향]

본 발명의 방법은 편광자의 투과축과 그 시료의 광학축과 그 검광자의 투과축의 배치를 그 시료의 위상차가 검출되는 배치로 하여 측정되는 분광 스펙트럼을, 그 시료의 위상차의 영향이 없는 그 시료의 분광 스펙트럼 데이터로 보정함으로써, 시료의 위상차를 보다 정확하게 결정하는 것을 가능하게 한다.

상기 분광 스펙트럼 데이터로부터 얻어지는 시료의 광 투과율이 파장의 함수로서 t(λ) 로 표시된다고 하면, 흡수성 또는 산란성 필름의 뮬러 행렬 Mt 는 등방성인 경우에는 스칼라량이 되므로, 상기 서술한 편광자와 검광자가 크로스니콜이고 편광자의 투과축에 대하여 광학축이 45 도 기운 위상차 필름의 광의 투과율 T(λ)는 하기 식 (8) 과 같이 기술된다.

식 (8) 로부터 알 수 있듯이, 위상차의 영향이 없는 시료의 분광 스펙트럼 데이터로부터 t(λ) 를 구함으로써, 흡수/산란 항과 위상차 항을 분리할 수 있다.

위상차의 영향이 없는 시료의 분광 스펙트럼 데이터로서는 그 시료의 이미 알려진 데이터를 이용해도 되지만, 위상차 측정을 위한 광학계에 있어서 편광자의 투과축과 그 시료의 광학축과 그 검광자의 투과축의 배치를 그 시료의 위상차가 검출되지 않는 배치로 하여 측정된 분광 스펙트럼 데이터인 것이 바람직하다.

시료의 위상차가 검출되지 않는 배치로서는 편광자와 검광자를 파라니콜 배치로 하고, 또한 편광자의 투과축과 시료의 광학축이 이루는 각을 0 또는 90 도로 한 배치를 들 수 있다. 즉, 예를 들어 투과축과 시료의 광학축이 이루는 각을 0 도로 했을 경우 (편광자의 투과축과 광학축이 일치하고 있는 경우) 에 대하여 이하에 설명한다.

편광자의 투과축과 광학축이 일치한 위상차 필름의 뮬러 행렬 Mr2 는 식 (9) 와 같이 기술된다.

이것으로부터 편광자와 검광자가 파라니콜일 때의 흡수나 산란을 고려한 투과광의 스토크스 파라미터 Sout 는 식 (10) 이 된다.

(10) 식으로부터 이 광학계의 투과율은 t(λ) 로 표시되는 것을 알 수 있다.

위상차의 영향이 없는 시료의 분광 스펙트럼 데이터에 있어서의 투과율 t(λ) 를 이용하여, 예를 들어 상기 식 (8) 의 투과율 T(λ) 의 식을 나눗셈에 의해 보정해 줌으로써, 흡수나 산란의 영향이 없는 스펙트럼으로 보정할 수 있고, 그 결과로서 얻어지는 위상차의 정밀도가 향상된다.

[위상차의 파장 분산]

시료의 위상차에 파장 분산이 있는 경우에는, 분광 스펙트럼에 있는 산과 골짜기의 피크에 있어서의 파장이 상기의 이론에서 설명되는 파장에서 어긋난다. 예를 들어 도 1 의 예에서 500㎚ 에 있어서 위상차가 2000㎚ 라면 도 1 대로 투과율은 0% 이지만, 가령 400㎚ 에 있어서의 위상차가 파장 분산으로 2200㎚ 가 되었다고 하면, 반정수배이므로 투과율은 100% 가 되어, 도 1 과 상이하다. 이 2200㎚ 는 400㎚ 의 5.5 배이지만, 2000㎚ 의 5.5 분의 1 은 약 363㎚ 이기 때문에, 이 파장 분산을 갖는 시료의 400㎚ 에 보여지는 산의 피크는, 도 1 에 있어서 그래프의 밖에 있는 363㎚ 에 존재해야 하는 산의 피크가, 위상차가 커진 것에 의해 장파측으로 시프트된 것이라는 것이다. 위상차의 파장 분산은 코시의 분산식에 의해 기술할 수 있기 때문에, 투과 스펙트럼으로부터 피팅에 의해 위상차를 구하려면, 코시의 분산식을 이용하는 것이 바람직하다.

코시의 분산식은, 일반적으로 굴절률의 파장 의존성 (파장 분산) 을 나타내기 위하여 이용되고, 식 (11) 과 같이 기술된다.

리타데이션은 복굴절 즉 2 개의 상이한 굴절률의 차이에 시료의 두께 d 를 곱한 것이므로, 굴절률과 마찬가지로 식 (12) 와 같이 코시의 분산식을 적용할 수 있다.

코시의 분산식은 파장의 4 차까지를 이용하는 경우가 많지만, 보다 피팅을 보다 간편하고 고속으로 하기 위해서는 2 차까지이어도 되고, 정밀도상 필요한 경우에는 6 차 이상의 짝수차까지 이용해도 된다. 정밀도와 속도의 밸런스면에서는 4 차까지를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 위상차의 파장 분산으로서는 코시의 분산식 이외에도 Handbook of optics (2nd ed.), vol. 1 (McGraw-Hill) 의 p.33.61-33.84 에 기재되어 있는 임의의 식 혹은 임의의 2 개 이상의 합을 이용할 수 있다.

[파장판의 이용]

도 2 에 Re=100㎚ 인 시료 (필름) 의 분광 스펙트럼 예를 나타낸다. 이와 같이 시료의 위상차가 작아지면, 측정 파장 범위에 있어서 반정수배도 정수배도 보이지 않게 되기 때문에, 스펙트럼에 피크가 보이지 않게 된다. 피크가 관측되지 않는 스펙트럼에 의해서도 이론적으로는 위상차를 구할 수 있지만, 실제로는 계측계의 노이즈나 시료의 흡수, 산란, 편광 해소 등의 영향에 의해 스펙트럼의 절대치가 변화해 버려, 산출되는 위상차의 정밀도에 영향이 있다.

측정 파장 범위에 있어서 스펙트럼에 피크가 관측되는 상태로 하기 위하여, 위상차가 작은 시료의 측정에는 파장판을 이용하여, 얻어지는 값의 정밀도를 올릴 수 있다. 예를 들어 시료의 광학축과 광학축이 일치한 위상차 Re_wp 의 파장판을 삽입하는 것을 생각한다. 편광자의 투과축에 대하여 광학축이 45 도 기운 파장판의 뮬러 행렬 M_wp 는 식 (13) 과 같이 된다.

편광자와 검광자가 크로스니콜이고 편광자의 투과축에 대하여 광학축이 45 도 기운 시료 및 편광자의 투과축에 대하여 광학축이 45 도 기운 파장판을 갖는 광학계의 스토크스 파라미터는, 식 (14) 가 된다.

여기서,

이고, Re_wp 는 파장판의 위상차를 나타낸다.

즉, 광의 투과율 T(λ) 는 하기의 식 (15) 로 표시된다.

이 식으로부터, 파장판에 의해 위상차를 끌어 올림으로써, 측정 파장 범위에 있어서 스펙트럼에 피크를 검출할 수 있음을 알 수 있다. 이 피크로부터 측정된 위상차를 결정 후, 시료의 위상차는 파장판의 위상차를 공제하고 산출하면 된다.

[위상차 측정 장치]

이상에서 설명한 본 발명의 방법은 하기에서 설명하는 위상차 측정 장치에 의해 실시할 수 있다.

위상차 측정 장치는 광원, 편광자, 시료대, 검광자, 및 분광기를 포함하고, 도 3 에 나타내는 순서로 배치되어 있는 것이 바람직하다. 위상차 측정 장치는 추가로 상기의 보정, 피팅 등을 실시하는 계산 수단으로서 광 신호 해석 장치 등을 포함한다.

[광원]

광원은 백색 광원인 것이 바람직하다. 백색 광원으로서는, 레이저나 LED 와 같이 좁은 파장 범위가 아니고, 측정 파장 범위에 있어서 출력을 갖고 있으면 특별히 한정은 없고, 측정 파장 범위가 가시역의 일부이면, 반드시 겉보기에 백색이 아니어도 된다. 그러한 광원의 예로서는, 할로겐 램프나 크세논 램프를 들 수 있다. 또한, 복수색의 광원을 혼색시켜 이용해도 된다. 광원은 입력하는 전원이나 환경 온도에 의해 출력이 변화하기 때문에, 전원 점등 후 20 분 ∼ 1시간 정도 방치한 후에 휘도의 변화가 5%/시간 이하인 것이 바람직하고, 그와 같이 하기 위해서 전원에 안정화 장치가 이용되고 있는 것이 바람직하다.

[편광자, 검광자]

편광자에는 회전 기구는 특별히 필요 없지만, 광축 중심의 회전 기구가 있으면 전체 방위각 측정이 가능해지므로 바람직하다. 검광자는 그 투과축을 편광자의 투과축과 파라니콜 또는 크로스니콜로 하는 등의 필요가 있기 때문에, 광축 중심의 회전 기구가 있는 것이 바람직하다.

편광자 및 검광자로서는, 분광기를 이용하기 때문에 넓은 파장역에서 높은 편광도를 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 방법은, 종래의 방법과 비교하여, 투과율의 절대치에 영향받기 어렵기 때문에 편광도는 95% 이상이면 된다. 이 편광도를 갖는 파장역은 390 ∼ 800㎚ 인 것이 특히 바람직하다. 이 편광도를 갖고 있는 한, 편광자는 흡수형 편광자이어도 되고 반사형 편광자이어도 되지만, 검광자로서는 흡수형 편광자가 바람직하다. 구체적으로는, 넓은 파장역에서 비교적 높은 편광도를 갖는 요오드계 편광자, 이색성 색소를 이용한 이색성 색소 편광자, 프리즘형 편광자로서 글랜 톰슨형 편광자, 글랜 테일러형 편광자, 그 밖의 편광자로서 와이어 그리드 편광자, 유전체 편광자 등을 들 수 있고, 파장역이 넓은 요오드계 편광자와 프리즘형 편광자가 바람직하고, 보다 파장역이 넓고 또한 필요로 하는 편광도를 갖는 요오드계 편광자가 특히 바람직하다.

[시료대]

편광자와 검광자 사이에는 시료대가 배치되어 있지만, 시료대는 광축 중심의 회전 기구가 있는 것이 바람직하고, 또한 경사 입사시의 위상차를 측정하기 위하여, 시료대 전체가 회전하는 기구가 있는 것이 바람직하다.

[분광기]

분광기로서는, 필요한 파장 범위의 분광이 가능하고 충분한 광 강도의 분해능을 갖고 있으면 특별히 한정은 없다. 모노크로미터로 스캔하는 분광기이어도 되고 회절 격자로 분광한 광을 1 차원 포토 디텍터 어레이로 계측하는 멀티채널 타입 분광기이어도 되지만, 측정 시간이 짧은 멀티채널 타입이 바람직하다. 분광기의 강도의 분해능으로서는 디지털이면 8 비트 이상인 것이 바람직하고, 12 비트 이상인 것이 특히 바람직하다. 또한, 파장 분해능 F 는 위상차의 측정 정밀도와 대응하기 때문에, FWHM 에서 10㎚ 이하가 바람직하고, 5㎚ 이하가 특히 바람직하다. 또한, 파장판의 위상차가 측정 대상 파장 λ 에 대하여 nλ 로 할 때, F ×n 은 200㎚ 이하가 바람직하고, 100㎚ 이하가 보다 바람직하고, 50㎚ 이하가 가장 바람직하다.

[파장판]

위상차 측정 장치로서는, 도 4 와 같이 편광자와 검광자 사이에 파장판이 삽입되어 있는 것이 더욱 바람직하다. 파장판은 시료대의 편광자측에 배치해도 되고 검광자측에 배치해도 된다. 파장판은 광축을 중심으로 한 회전 기구와, 광축 상으로부터 파장판을 퇴피시키기 위한 1 축 스테이지가 있는 것이 바람직하다. 파장판에 의해, 전술한 대로 작은 위상차의 시료를 측정하는 것이 가능해진다.

또한, 광원이나 분광기에는 약간의 편광 의존성이 있고, 그것이 스펙트럼 측정에 영향을 미칠 가능성이 있기 때문에, 광원과 편광자 사이, 및 검광자와 분광기 사이에는 측정 파장역에 있어서 가능한 한 흡수를 갖지 않는 편광 해소자를 삽입할 수도 있다.

파장판으로서는, 측정 파장 범위에 피크가 보여지면 특별히 한정은 없지만, 측정 파장역에 있어서 0.5 이상의 정수 또는 반정수의 곱이 상기 파장판의 리타데이션값을 나타내고 있는 파장을 2 개 이상 갖고 있는 것이 바람직하다. 측정 정밀도와의 관계로부터 400 ∼ 10000㎚ 파장판이 바람직하고, 1200 ∼ 8000㎚ 파장판이 더욱 바람직하고, 2000 ∼ 6000㎚ 파장판이 특히 바람직하다. 재료로서는 일반적으로 연신한 폴리머 필름이나 수정, 칼사이트 등의 무기 결정을 들 수 있지만, 파장판은 측정되는 위상차의 값에 직접 영향을 미치기 때문에, 온도나 습도 등 의 환경에 의해 변화되기 어려운 것이 바람직하다. 그러한 파장판의 바람직한 예로서, 수정, 칼사이트, 폴리머 연신 필름을 유리로 샌드위치한 것 등을 들 수 있다.

[측정 순서]

측정 순서의 일례를 설명한다.

입사 편광자는 시료대 전체의 회전축 방향에 대하여 45 도에 투과축을 고정시킨다. 다음으로, 광축 상에 파장판과 시료가 없는 상태에서 검광자를 360 도 회전시키고, 분광기로 투과 스펙트럼을 관측하면서, 가장 투과율이 작은 위치와 투과율이 큰 위치를 각각 크로스니콜, 파라니콜 위치로서 검출한다. 이때의 분광 스펙트럼을 각각 0%, 100% 로 하여 광학계를 교정하여, 투과율 측정이 가능하게 하고나서, 검광자를 크로스니콜 혹은 파라니콜로 배치한다. 이하, 크로스니콜로 설명한다. 이어서, 표준이 되는 파장판의 위상차를 측정한다. 파장판을 광축 회전으로 360 도 회전시켜 시료의 투과율이 최소가 되는 각도를 검출한다. 이어서, 최소가 되는 각도로부터 45 도 회전시키고 (크로스니콜 하에 있어서의 명광위), 분광 스펙트럼을 측정하면 도 1 과 같은 스펙트럼이 얻어진다. 이 스펙트럼에 대하여, 식 (14) 의 제 1 요소를 이용하여 피팅함으로써 위상차를 구할 수 있다. 파장판은 이미 알려진 것을 이용하면 되므로, 파장판의 지상축 (굴절률이 큰 쪽의 축에서 광학축에 대하여 평행 또는 직교) 은 이미 알고 있으므로, 처음부터 지상축을 45 도 경사시킨 상태에서 분광 스펙트럼을 측정해도 된다.

이어서 파장판을 광축 상으로부터 퇴피시키고, 시료를 광축 회전으로 360 도 회전시켜 시료의 투과율이 최소가 되는 각도를 검출한다. 이어서 파장판을 지상축을 45 도로 하여 삽입하고, 시료를 투과율이 최소가 되는 각도로부터 ±45 도로 설정하여 2 개의 분광 스펙트럼을 측정한다. 이 분광 스펙트럼을 파장판일 때와 동일하게 하여 피팅하면, 식 (14) 에 따라 파장판 + 시료, 혹은 파장판 - 시료 (편광자와 검광자가 크로스니콜이고 편광자의 투과축에 대하여 지상축이 -45 도 기운 시료 및 편광자의 투과축에 대하여 지상축이 45 도 기운 파장판을 갖는 광학계의 스토크스 파라미터로서 식 (14) 와 동일하게 구해진다) 의 위상차를 얻을 수 있다. ±45 도의 2 개의 배치 중, 파장판 + 시료를 얻는 배치가 파장판과 시료의 지상축이 일치하고 있으므로, 이것에 의해 시료의 지상축을 식별할 수 있다. 이상에 의해, 위상차의 파장 분산과 지상축의 방향을 얻을 수 있다.

본 발명의 방법에 있어서는, 파장판 측정 후에 파장판을 퇴피시키고, 시료를 광축 회전으로 360 도 회전시켜 시료의 투과율이 최소가 되는 각도를 검출한 후, 이 배치인 상태에서 스펙트럼을 측정한다. 이것이, 위상차의 영향이 없는 분광 스펙트럼 (흡수·산란 스펙트럼) 이 된다. 이 상태에서 상기와 동일하게 하여 파장판 삽입 상태에서 시료의 ±45 도에서의 분광 스펙트럼을 구하는데, 피팅 전에 이 분광 스펙트럼을 흡수·산란 스펙트럼으로 나눔으로써, 흡수나 산란에 의한 투과율의 로스를 보정한다. 이로써, 흡수나 산란을 갖는 시료에서도, 정밀도 높게 위상차를 측정할 수 있다.

[보정, 및 피팅 수단]

얻어진 데이터에 기초하여, 상기 (8) 식에 기초하여, T(λ) 를 t(λ) 로 나 누고, 스펙트럼의 보정을 실시하여, 위상차를 결정한다.

실제로는 t(λ) 로 나누어 얻어진 보정 후의 스펙트럼 T(λ) 는 또한 식 (16) 으로 피팅을 실시하는 것이 바람직하다. 즉, 위상차의 파장 분산으로서 상기의 코시의 식을 이용하고, 또한 광학계의 노이즈 등에 기인하는 투과율 변화를 고려하는 것이 바람직하다.

Tmax(λ), Tmin(λ) 는 투과율을 보정하기 위한 것으로서, 파장 의존성이 없는 상수, 1 차식 (17), 2 차식 (18), 지수 함수 (19) 이어도 되지만, 정밀도상에서 1 차식으로 충분하므로 바람직하다.

피팅의 방법은, 예를 들어 과학 계측을 위한 데이터 처리 입문, 미나미 시게오 감수, 카와다 사토시 편저에 기재된 바와 같은 비선형 최적화 수법이나, 유전적 알고리즘 등을 이용할 수 있다. 이들 수법은 피팅시의 초기값이 중요하지만, 정밀도 높게 피팅하기 위하여, 식 (16) 에 있어서 C=0, Tmax=1, Tmin=0 으로 하여 먼저 피팅한 것을 초기값으로 하고, 전체 파라미터를 피팅하는 것이 바람직하다. 피팅에 있어서는, 제곱 오차를 최소로 하는 것이 가장 대중적이어서 바람직하다. 혹은, 각 파장마다의 제곱 오차에 대하여, 산 골짜기의 피크 위치가 중요하므로 예를 들어 (50-T(λ)) 의 제곱을 중량 함수로서 곱하는 방법이나, 흡수·산란 스펙트럼의 투과율이 높은 부분이 중요하므로 예를 들어 흡수·산란 스펙트럼을 곱하는 방법, 나아가서는 그들의 조합 등의 수법을 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 위상차의 결정 방법은, 상기의 순서가 아니더라도 필요한 측정 데이터를 얻을 수 있으면, 상기의 방법에 한정되지 않는다. 실제, 파장판이 없는 경우에도 지상축 검출은 할 수 없지만, 위상차 측정은 가능하다. 또한, 시료나 파장판의 광축 상에서의 회전은 360 도가 아니더라도 180 도라도 가능하다. 또한, 편광자를 45 도 이외에 배치해도 측정은 가능하고, 편광자와 검광자가 크로스니콜이 아니고 파라니콜이라도 측정은 가능하다.

[실시예]

이하에 실시예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명의 취지로부터 일탈하지 않는 한 적절히 변경할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 이하의 구체예에 제한되는 것은 아니다.

(위상차 측정 장치의 구성)

도 4 에 나타내는 구성의 위상차 측정 장치를 이용하였다. 편광자는 45 도에 고정시키고, 파장판으로서 도 5 에 나타내는 위상차를 갖는 수정판을 이용하였다. 광원으로서는, 할로겐 램프 (EDI100DH, 미츠비시 레이욘 제조), 편광자 및 검광자로서는 요오드계 편광자 (HC2-8118, 산릿츠 제조), 분광기로서는 파이버 형의 멀티채널 분광기 (USB2000, 오션 옵틱스사 제조, A/D 분해능 12bit, 파장 분해능 (FWHM) 1.5㎚) 을 이용하였다. 측정 파장 범위는 400 ∼ 700㎚ 로 하였다.

(실시예 1, 비교예 1, 참조예 1)

550㎚ 에 있어서 대략 λ/4 의 위상차를 갖는 시료를 측정하였다. 상기 서술한 순서에 따라, 편광자와 검광자의 배치를 크로스니콜로 하고, 파장판과 시료의 지상축을 편광자의 투과축에 대하여 45 도로 설정하여 측정을 실시하였다. 피팅으로서는, 식 (16) 및 (17) 을 이용하여 최소 제곱 오차를 부여하는 것을 해답으로 하였다. 실시예 1 에 있어서는, 상기의 λ/4 의 위상차를 갖는 시료에 녹색으로 착색된 위상차를 갖지 않는 필터를 겹친 것을 시료로 하였다. 이 시료를 파장판이 없는 상태에서, 광축 회전으로 360 도 회전시켜 시료의 투과율이 최소가 되는 각도를 검출한 후, 이 배치인 상태에서 스펙트럼을 측정하여, 스펙트럼 보정에 이용하였다. 비교예 1 에서는 λ/4 의 위상차를 갖는 시료에 녹색으로 착색된 위상차를 갖지 않는 필터를 겹친 것을 시료로 하고, 실시예 1 에서 실시한 스펙트럼 보정을 실시하지 않았다. 참조예 1 에서는 녹색 필터를 겹치지 않는 시료를 이용하고, 실시예 1 에서 실시한 스펙트럼 보정을 실시하지 않았다. 실시예 1 과 비교예 1 의 스펙트럼을 도 6 에, 그 때에 측정된 위상차의 파장 분산을 도 7 에, 500, 550, 600㎚ 에 있어서의 위상차의 값을 표 1 에 나타내었다. 피팅에는 비선형 최적화의 하나로서 고속이고 고정밀도인 것으로 알려져 있는 Levenberg-Marquardt 의 알고리즘을 이용하여 컴퓨터상에서 계산함으로써 위상차를 구하였다.

또한, 제곱 오차 대신에 (50-T(λ)) 의 제곱과 흡수·산란 스펙트럼을 모두 이용한 오차에서도 피팅을 실시했지만, 거의 동일한 결과였다. 이상의 결과로부터, 본 발명의 방법에 의해, 흡수나 산란을 갖는 위상차 시료에 있어서 정밀도 높게 위상차를 측정할 수 있음을 알 수 있다.

도 1 은 본 발명의 위상차 측정에 있어서의 분광 스펙트럼의 원리적인 도면.

도 2 는 본 발명의 위상차 측정에 있어서의 작은 위상차의 시료에 대한 분광 스펙트럼의 원리적인 도면.

도 3 은 본 발명의 위상차 측정 장치의 일례의 개략도.

도 4 는 본 발명의 위상차 측정 장치의 일례의 개략도.

도 5 는 본 발명의 실시예에 이용한 파장판의 위상차의 파장 분산.

도 6 은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 에서 얻어진 분광 스펙트럼.

도 7 은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 참조예 1 에서 얻어진 위상차의 파장 분산.

Claims

광원, 편광자, 시료, 검광자 및 분광기가 이 순서로 배치되어 있는 광학계로 측정된 분광 스펙트럼으로부터 그 시료의 위상차를 결정하는 방법으로서,

그 시료의 위상차의 영향이 없는 그 시료의 분광 스펙트럼 데이터를 준비하는 단계,

그 편광자의 투과축과 그 시료의 광학축과 그 검광자의 투과축의 배치를 그 시료의 위상차가 검출되는 배치로 하여 측정되는 적어도 1 개의 분광 스펙트럼을 측정하는 단계, 및

상기 분광 스펙트럼 데이터에 의해 상기 분광 스펙트럼을 보정하는 단계를 포함하는, 시료의 위상차 결정 방법.
광원, 편광자, 시료, 검광자 및 분광기가 이 순서로 배치되어 있는 광학계로 측정된 분광 스펙트럼으로부터 그 시료의 위상차를 결정하는 방법으로서,

(1) 상기 편광자와 상기 검광자를 상기 편광자와 상기 검광자의 투과축이 이루는 각도가 0 도가 되도록 배치하고, 또한 상기 편광자의 투과축과 상기 시료의 광학축이 이루는 각을 0 또는 90 도로 하여 분광 스펙트럼을 측정하는 단계,

(2) 상기 편광자와 상기 검광자를 상기 편광자와 상기 검광자의 투과축이 이루는 각도가 0 도가 되도록 배치 또는 크로스니콜 배치로 하고, 또한 상기 시료의 광학축과 상기 편광자의 투과축이 이루는 각을 45 도로 하여 분광 스펙트럼을 측정하는 단계, 및

(3) 상기 (2) 에서 얻어지는 분광 스펙트럼에 의해 상기 (1) 에서 얻어지는 분광 스펙트럼을 보정하는 단계를 포함하는, 시료의 위상차 결정 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 보정은, 상기 (1) 에서 얻어지는 분광 스펙트럼의 파장 λ 에 있어서의 투과율을 상기 (2) 에서 얻어지는 분광 스펙트럼의 그 파장 λ 에 있어서의 투과율로 나눔으로써 행해지는, 시료의 위상차 결정 방법.
광원, 편광자, 시료대, 검광자 및 분광기가 이 순서로 배치되어 있는 광학계, 그리고 하기 (11) 에 의해 하기 (12) 를 보정하는 수단을 포함하는, 위상차 측정 장치.

(11) 상기 시료대 상에 배치되는 시료의 위상차의 영향이 없는 그 시료의 분광 스펙트럼 데이터

(12) 상기 편광자와 상기 검광자를 상기 편광자와 상기 검광자의 투과축이 이루는 각도가 0 도가 되도록 배치 또는 크로스니콜 배치로 하고, 또한 상기 시료대 상에 배치되는 상기 시료의 광학축과 상기 편광자의 투과축이 이루는 각을 45 도로 하여 측정되는 분광 스펙트럼
광원, 편광자, 시료대, 검광자 및 분광기가 이 순서로 배치되어 있는 광학계, 그리고 하기 (21) 에 의해 하기 (12) 를 보정하는 수단을 포함하는, 위상차 측정 장치.

(21) 상기 편광자의 투과축과 상기 시료대 상에 배치된 시료의 광학축과 그 검광자의 투과축의 배치를 그 시료의 위상차가 검출되지 않는 배치로 하여 측정된 분광 스펙트럼

(12) 상기 편광자와 상기 검광자를 상기 편광자와 상기 검광자의 투과축이 이루는 각도가 0 도가 되도록 배치 또는 크로스니콜 배치로 하고, 또한 상기 시료대 상에 배치되는 상기 시료의 광학축과 상기 편광자의 투과축이 이루는 각을 45 도로 하여 측정되는 분광 스펙트럼
광원, 편광자, 시료대, 검광자 및 분광기가 이 순서로 배치되어 있는 광학계, 그리고 하기 (31) 에 의해 하기 (12) 를 보정하는 수단을 포함하는, 위상차 측정 장치.

(31) 상기 편광자와 상기 검광자를 상기 편광자와 상기 검광자의 투과축이 이루는 각도가 0 도가 되도록 배치하고, 또한 상기 편광자의 투과축과 상기 시료대 상에 배치되는 시료의 광학축이 이루는 각을 0 또는 90 도로 하여 측정되는 분광 스펙트럼

(12) 상기 편광자와 상기 검광자를 상기 편광자와 상기 검광자의 투과축이 이루는 각도가 0 도가 되도록 배치 또는 크로스니콜 배치로 하고, 또한 상기 시료대 상에 배치되는 상기 시료의 광학축과 상기 편광자의 투과축이 이루는 각을 45 도로 하여 측정되는 분광 스펙트럼
제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 (12) 를, 코시의 분산식을 이용하여 피팅하는 수단을 추가로 포함하는, 위상차 측정 장치.
제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 광학계의 상기 편광자와 상기 검광자 사이에 파장판이 배치되어 있는, 위상차 측정 장치.
제 8 항에 있어서,

측정 파장역내의 2 개 이상의 파장 각각에 있어서, 상기 파장판의 리타데이션값을 0.5 이상의 정수 또는 반정수로 나눈 값이 그 파장과 일치하는, 위상차 측정 장치.