TWI421486B - 光學異方性參數測定方法及測定裝置 - Google Patents

光學異方性參數測定方法及測定裝置 Download PDF

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TWI421486B TW096133007A TW96133007A TWI421486B TW I421486 B TWI421486 B TW I421486B TW 096133007 A TW096133007 A TW 096133007A TW 96133007 A TW96133007 A TW 96133007A TW I421486 B TWI421486 B TW I421486B
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Description

光學異方性參數測定方法及測定裝置
本發明係有關使用偏光測定測定目標物之光學軸之方向、傾斜角、異方性大小等光學異方性參數之光學異方性參數測定方法及測定裝置，特別是適合於使用在液晶定向膜之檢查等。
液晶顯示器係，由於表面積層有透明電極及定向膜之內側玻璃基板、與在表面已積層形成彩色濾光片、透明電極及定向膜之外側玻璃基板，呈現藉隔板使定向膜相互間面對面，且以在該定向膜之間隙間以封入液晶之狀態密封，同時，在此內外兩側積層有偏光濾光鏡之構造而成。
在此，液晶顯示器為了正常運作而液晶分子必須一致排列成同一方向，而定向膜係決定液晶分子之方向性。
此定向膜之所以能使液晶分子定向排列，係因具有一軸性光學異方性，而定向膜只要在其全面上皆具有一致之一軸性光學異方性則在液晶顯示器中不易產生瑕疵，只要存有光學異方性不均一之部分則由於液晶分子之方向雜亂而液晶顯示器成為瑕疵品。
換言之，定向膜之品質係直接影響液晶顯示器之品質，定向膜中若有瑕疵則由於液晶分子之方向性雜亂，液晶顯示器也必定會產生瑕疵。
因此，在組裝液晶顯示器之際，若預先檢查定向膜有無瑕疵且只使用品質安定之定向膜，則液晶顯示器之良率提升，生產效率提高。
因此，以往已有提案，使用橢圓偏光計(ellipsometer)等，測定有關定向膜之成為異方性參數之光學軸之方向、傾斜角(極角)、膜厚等，經由評估該定向膜之光學異方性而檢查有無瑕疵之方法。
然而，經由橢圓偏光計之測定雖精度高但費時且費事，而且並非能在生產線上簡單檢查之方法。
於是本申請人係提出，無須使用橢圓偏光計，而是根據照射偏光時之反射光強度變化，且藉由SMP法，而能簡單測定定向方位和傾斜角等之技術。[SMP為Speedy Measurement by Polarization conversion之簡寫，為本件申請人所創之術語]。
[專利文獻1]日本特開2006－226995號公報
根據此專利文獻，根據反射光中所含之特定方向之偏光成分而得到極大值及極小值之方向，而能檢測定向方位和傾斜角。
然而，依其後之實驗，當以該裝置進行測定時，雖可試圖使測定高速化，但由於樣品台座和樣品之微細圖案而產生之散射光之影響，特別是在異方性小之測定目標物中難以進行精度高之測定。
於是本發明係以提案，利用偏光在測定膜厚、折射率及折射率異方性等光學參數之際，即使為異方性小之測定目標物，也不受因樣品台座和樣品之微細圖案而產生之散射光之影響，而能以與SMP法同樣之技術，以高精度簡單測定光學異方性參數之差動SMP法做為技術性課題。
為了解決此課題，本發明之特徵係在經由以直線偏光作為入射光從複數方位對異方性測定目標物照射，且以其反射光中所含有之直線偏光成分中特定方向之直線偏光作為測定光測定此光強度，而測定光學軸之方向、傾斜角、異方性大小等光學異方性參數之光學異方性參數測定方法中，對於前述測定目標物之測定面以P偏光或S偏光任一方之方向作為基準方向，以前述入射光與測定光之一方作為在前述基準方向振盪之直線偏光，以前述入射光與測定光之另一方作為在相對於前述基準方向±δ(δ≠nπ /2，n係整數)之方向振盪之一對直線偏光，而測定對應於前述一對直線偏光之兩種測定光之光強度，且根據表示所得到之兩個光強度數據之差的差分數據測定光學異方性參數。
根據本發明，例如，在以P偏光之方向作為基準方向時，使在相對於基準方向＋δ(δ≠nπ /2，n係整數)之方向振盪之直線偏光(＋δ偏光)從複數方位入射至測定目標物，而測定該反射光之S偏光之光強度M＋δ 。
接著，使在相對於基準方向－δ之方向振盪之直線偏光(－δ偏光)從複數方位入射至測定目標物，而測定該反射光之S偏光之光強度M－δ 。
在所測定之反射光強度M＋δ 及M－δ 中係含有雜訊N，而該雜訊N係因被認為與偏光方向無關且為固定，所以去除雜訊之反射光強度R＋δ 及R－δ 係以下式表示。
R＋δ ＝M＋δ －N………(1) R－δ ＝M－δ －N………(2)
因此，若取所測定之反射光強度M＋δ 及M－δ 之差，則能依下式消除雜訊成分(差動SMP法)。
D＝M＋δ －M－δ ＝(R＋δ ＋N)－(R－δ ＋N)＝R＋δ －R－δ
再者，當僅取差值時由於入射光之方位而也有可能變成負值。根據實驗，D＝0之部分為取當依SMP法測定時為極小值，而D之極值為取依SMP法測定時之極大值。
因此，若將D值平方後將此做為差分數據使用，則差分數據係全都取正值，而其波形也與依SMP法測定之波形相對應，而能根據該結果測定異方性參數。
 (實施之最佳形態)
有關本發明之光學異方性參數測定方法，係為了達成即使為異方性小之測定目標物也不受雜訊影響而能以高精度測定之目的，在對於測定目標物之測定面以P偏光或S偏光任一方之方向作為基準方向時，以入射光與測定光之一方作為在基準方向振盪之直線偏光，以前述入射光與測定光之另一方作為在相對於基準方向±δ(δ≠nπ /2，n係整數)之方向振盪之一對直線偏光，而測定對應於該一對直線偏光之兩種測定光之光強度，且根據表示所得到之兩個光強度數據之差的差分數據測定光學異方性參數。
第1圖表示使用於本發明方法中之光學異方性參數測定裝置之解說圖，第2圖表示各測定點與CCD相機之畫素的關係解說圖，第3圖表示含雜訊之反射光強度M＋δ 及M－δ 之測定結果圖式，第4圖表示去除雜訊之反射光強度R＋δ 及R－δ 之差值D之計算結果圖式、第5圖表示差分數據D2 之計算結果圖式。
(實施例1)
如第1圖所示之光學異方性參數測定裝置1係，具備對於放置於台座2上之樣品(異方性測定目標物)3以直線偏光作為入射光照射之照射光學系統4、以此反射光中所含有之直線偏光成分中特定方向之直線偏光作為測定光測定此光強度之測定光學系統5、與根據此測定結果計算光學異方性參數之運算處理裝置6，且各光學系統4及5已設置成可以定位於台座2上之垂直線作為轉軸對於台座2相對性地轉動。
在本例中，照射光學系統4及測定光學系統5係，安裝在由電動機11轉動之轉盤7上，且各光學系統4及5之照射光軸LIR 及測定光軸LRF 已配置成對於此轉軸7x呈等角交叉。
轉盤7係配置成此轉軸7x與定位於台座2上之垂直線一致，且具備調整轉軸7x之傾斜之搖動調整機構12、使各光學系統4及5之光軸交叉點之高度與樣品3一致之Z盤(高度調整機構)13、使各光學系統4及5之各光軸交叉點之位置與任意測定點M一致之XY盤(XY移動機構)14。
此外，在轉盤7之中心係配置有已配置與轉軸7x同軸之光軸的搖動檢測用照像裝置15。
在此照像裝置15中，係在內部裝有使雷射光朝台座2同軸照射之光源裝置(無圖示)，而能將在樣品3所反射之雷射光攝取成像。
因此，當轉盤7之轉軸7x未傾斜時，由於即使使轉軸7轉動反射光之光接受點也不會移動，故能判定為無搖動。此外，當轉盤7之轉軸7x已傾斜時，由於在使轉盤7轉動時產生搖動，而反射光之光接受點不固定而描繪出封閉曲線之軌跡，故能從此軌跡檢測出搖動量。
照射光學系統4係沿著對樣品2照射之照射光軸LIR ，具備波長632.8nm、光強度25mW之He－Ne雷射21、擴大該雷射光之孔徑或增幅寬至預定之點狀且平行化之準直儀透鏡(collimator lens)22、與將該平形光束偏光化且照射直線偏光之偏光板23。
偏光板23係在對於樣品2之測定面以P偏光之方向作為基準方向時，由配製成可調整成輸出在相對於該基準方向±δ(δ≠nπ /2，n係整數)之方向振盪之一對直線偏光之兩個方向的葛蘭－湯普生稜鏡(Glan－Thompson Prisms)(消光比10－6 )所組成，且能經由調整偏光板23之方向而輸出一對直線偏光。
測定光學系統5，其測定光軸LRF 為配製成與從前述雷射21所照射再以樣品2反射之反射光之光軸一致，沿著該光軸LRF 配置有檢光板24、波長選擇濾波器25、2次元CCD相機26。
因此，能同時測定反射自樣品3上之測定區A中所含有之複數個測定點Mij之反射光強度。
CCD相機26係同時測定在複數個測定點之反射光強度。
第2圖(a)係表示在轉動前測定區A內之測定點Mij(i,j＝1至10)。
第2圖(b)係因表示使光學系統4及5轉動預定角度時之影像，若將各測定點Mij以極座標Mij＝(rn ,αm )表示，則轉盤12僅轉動角度γ時之Mij位置係以Mij＝(rn ,αm ＋γ)表示。
因此，只要以符合Mij＝(rn ,αm ＋γ)之CCD相機26的畫素區域測定反射光強度即可。
因此，在將偏光鏡23定位至＋δ側而使直線偏極光照射至樣品3之狀態下，僅將盤12轉動一圈，而能對測定區內之各測定點同時對應入射方位測定反射光強度R＋δ ，接著，將偏光板23定位至－δ側，將盤12再轉動一圈，而能對測定區內之各測定點同時對應入射方位測定反射光強度R－δ 。
然後，將如此所測定之反射光強度數據M＋δ 、M－δ 輸入至運算裝置6。
在所測定之反射光強度M＋δ 及M－δ 中含有雜訊N，而該雜訊N因被認為與偏光方向無關且為固定，所以去除雜訊之反射光強度R＋δ 及R－δ 是以下式表示。
R＋δ ＝M＋δ －N………(1) R－δ ＝M－δ －N………(2)
因此，若取所測定之反射光強度M＋δ 及M－δ 之差值D，則能依下式所示消除雜訊成分(差動SMP法)。
D＝M＋δ －M－δ ＝(R＋δ ＋N)－(R－δ ＋N)＝R＋δ －R－δ
再者，當僅取差值時，D值由於入射光之方位而變成負值。根據實驗，D＝0之部分，變為當依SMP法測定時之極小值，而D之極值為依SMP法測定時取極大值。
因此，若將D值平方後，將此做為差分數據使用，則差分數據是都取正值，而其波形也與依SMP法測定之波形相對應。
D2 ＝(R＋δ －R－δ )2
以上為有關本發明之光學異方性參數測定裝置之一個組成例，接著，說明關於使用此裝置之光學異方性參數測定方法。
將做為光學異方性測定目標物之樣品3設置於台座2上且進行搖動調整後，在Z盤13進行高度調整至反射光強度成為最大。
在此狀態下，將偏光板23設置於＋δ(在本例中係0.2°)之位置，若從照射光學系統4對於P偏光使在＋δ之方向振盪之直線偏光照射時，則在測定光學系統5中，對應於此之S偏光作為測定光而入射至CCD相機26，而測定其反射光強度M＋δ 。
第3圖(a)係表示在測定區A內之一測定點中之反射光強度M＋δ 之測定結果的例示圖。
接著，將偏光板23設置於－δ(在本例中係－0.2°)之位置，若從照射光學系統4對於P偏光使在－δ之方向振盪之直線偏光照射時，則在測定光學系統5中，對應於此之S偏光作為測定光入射至CCD相機26，而測定此反射光強度M－δ 。
第3圖(b)係表示在測定區A內之一測定點中之反射光強度M－δ 之測定結果的例示圖。
在所測定之反射光強度M＋δ 及M－δ 中係含有雜訊N，而該雜訊N因被認為與偏光方向無關且為固定，所以若將所測定之數據輸入至運算處理裝置6內計算D＝M＋δ －M－δ 時，則可計算已消除雜訊之反射光強度R＋δ 及R－δ 之差。(差動SMP法)。
D＝M＋δ －M－δ ＝(R＋δ ＋N)－(R－δ ＋N)＝R＋δ －R－δ
第4圖係表示此數據D之圖。
在此，僅取差值之數據D，由於入射光之方位而也取負值。根據實驗，D＝0之部分，變為當依SMP法測定時之極小值，而D之極值為對應於依SMP法測定時之極大值。
於是，若將D值平方後將此做為差分數據使用，則差分數據係皆取正值，而其波形也與依SMP法測定之波形相對應。
第5圖係表示差分數據D2 之圖。
根據SMP法，對具有光學異方性之樣品3，使入射方向從0改變至360°時所檢測之反射光強度變化，存在有兩個之最大峰Λ1 及Λ2 、與兩個中間峰Λ3 及Λ4 ，在各峰Λ1 至Λ4 間存在有光強度變為0之極小點V1 至V4 之角度(參照第5圖)。
兩個最大峰Λ1 及Λ2 間之極小點V1 、與兩個中間峰Λ3 及Λ4 間之極小點V3 係表示樣品2上之測定點之光學軸方向，且其差成為180°。
因此，在差動SMP法中也同樣地，光學軸方向係，能由兩個最大峰Λ1 及Λ2 間之極小點V1 、與兩個中間峰Λ3 及Λ4 間之極小點V3 來決定。
此外，根據夾在反射光強度為最大峰Λ1 與相鄰於此之中間峰Λ4 之極小點V4 之方向、夾在反射光強度為最大峰Λ2 與相鄰於此之中間峰Λ3 之極小點V3 之方向而能依已知之計算式計算在該測定點中之光軸之傾斜角θ。
並且，異方性之大小係表示在一個測定點中之定向分布之一致性之值，但定向方向越齊全則異方性可以越大，而異方性越大，則如第5圖所示之圖式之最大峰高度越高。
因此，根據最大峰高度可以測定異方性之大小。
在本例中，由於以CCD相機26測定反射光強度，故能同時測定在樣品3上之多個測定點中之光軸方向、傾斜角、異方性大小，且也能快速測定此等之分布狀態。
再者，在上述說明中係說明關於經由以二次元CCD相機26接受照射至樣品3之平行光束之反射光而同時測定複數點之反射光強度之情形，但僅對一個測定點測定時也能使用光電倍增管等。
此外，使用於測定之光，不只是可見光，也可使用紫外光至兆赫(terahertz)光中之任一波長之光，此外，偏光板、檢光板、檢測器係使用適合所使用之光之波長者即可。
基準方向係不限定於P偏光之方向，S偏光之方向也相同。
此外，上述係說明關於使偏光板23可調整於±δ後，再將檢光板24固定後測定之情形，但也可將偏光板23固定後，再使檢光板24可調整於±δ。
換言之，即不限定於以P±δ(S±δ)方向之直線偏光作為入射光而以S偏光作為測定光之情形，也可為以P±δ(S±δ)方向之直線偏光作為入射光而以P偏光作為測定光之情形、以S偏光作為入射光而以P±δ(S±δ)方向之直線偏光作為測定光之情形、以P偏光作為入射光而以P±δ(S±δ)方向之直線偏光作為測定光時之任一種。
以偏光板23及檢光板24而言，不限定於如葛蘭－湯普生稜鏡之穿透型偏光元件，也可使用反射型偏光元件。
例如，由於若使光以布魯司特角(Brewster's angle)入射至平面反射板時則因只有S偏光輸出，故經由使此光學系統轉動至光軸方向，而由於可對於樣品3輸出P偏光、S偏光、P±δ(S±δ)方向之直線偏光等任何偏光故能將此作為偏光板使用，同樣地，也能作為檢光板使用。
此外，由於若使光以共振角入射至於反射面形成有金屬薄膜之稜鏡時則因只有S偏光輸出，故與平面反射板同樣地，能作為偏光板及檢光板使用。
上述係說明關於為了從複數方位測定，而使設置有照射光學系統4及測定光學系統5之盤7轉動之情形，但也可為將此等固定後再使台座2轉動之情形。
此外，也可預先將從複數方位照射之複數個測定光學系統與測定其反射光強度之複數個測定光學系統，以預定角度之間隔配置。
(產業上之利用可能性)
本發明係能適用於具有光學異方性之製品，特別是適用於液晶定向膜之品質檢查等。
1．．．光學異方性參數測定裝置
2．．．台座
3．．．樣品(異方性測定目標物)
4．．．照射光學系統
5．．．測定光學系統
6．．．運算處理裝置
7．．．轉盤
7x．．．轉軸
11．．．電動機
12．．．搖動調整機構
13．．．Z盤(高度調整機構)
14．．．XY盤(XY移動機構)
15．．．搖動偵測用成像裝置
21．．．雷射
22．．．準直儀透鏡
23．．．偏光板
24．．．檢光板
25．．．波長選擇濾波器
26．．．2次元CCD相機
第1圖表示有關本發明之光學異方性參數測定裝置之一例的解說圖。
第2圖表示各測定點與CCD相機之畫素關係之解說圖。
第3圖表示含雜訊之反射光強度M＋δ 及M－δ 之測定結果圖式。
第4圖表示去除雜訊之反射光強度R＋δ 及R－δ 之差值D之計算結果之圖式。
第5圖表示差分數據D2 之計算結果之圖式。
1．．．光學異方性參數測定裝置
2．．．台座
3．．．樣品(異方性測定目標物)
4．．．照射光學系統
5．．．測定光學系統
6．．．運算處理裝置
7．．．轉盤
7x．．．轉軸
11．．．電動機
12．．．搖動調整機構
13．．．Z盤(高度調整機構)
14．．．XY盤(XY移動機構)
15．．．搖動偵測用成像裝置
21．．．雷射
22．．．準直儀透鏡
23．．．偏光板
24．．．檢光板
25．．．波長選擇濾波器
26．．．2次元CCD相機

Claims (3)

  1. 一種光學異方性參數測定方法，係具有經由從立於台座的垂線周圍的複數方位對異方性測定目標物以直線偏光作為入射光照射之照射光學系統，及以此反射光中所含有之直線偏光成分中特定方向之直線偏光作為測定光測定該測定光之光強度的測定光學系統，測定前述複數方位中測定光之光強度，而依據該光強度測定作為光學異方性參數之光軸之方向、傾斜角、異方性大小等，其特徵為：對於前述測定目標物之測定面以P偏光或S偏光中任一方之方向作為基準方向，以前述入射光與測定光之一方作為在前述基準方向振盪之直線偏光，以前述入射光與測定光之另一方作為在相對於前述基準方向±δ(δ≠n π/2，n係整數)之方向振盪之一對直線偏光，而就每一入射光所照射的方位測定對應於前述一對直線偏光之兩種測定光之光強度，且求得根據表示所得到之兩個光強度數據之差的差分數據，依據將該差分數據二乘方(平方)時兩個最大峰間之極小值存在的方位或兩個中間峰間之極小點存在的方位測定光學軸的方向，依據夾在相鄰之最大峰與中間峰之兩個極小點存在的方位測定光學軸之傾斜角，依據最大峰的高度測定異方性之大小。
  2. 一種光學異方性參數測定裝置，係具備以由從立於台座的垂線周圍的複數方位對異方性測定目標物之直線偏光照射之照射光學系統、以此反射光中所含有之直線偏光成分中特定方向之直線偏光作為測定光測定其光強度之測定光學系統、與測定前述複數方位中測定光之光強度，根據該光強度測定作為光學異方性參數之光軸之方向、傾斜角、異方性大小等光學異方性參數之運算裝置，其特徵為：在對於前述測定目標物之測定面以P偏光或S偏光中任一方之方向作為基準方向時，前述偏光板及檢光板之一方係朝向輸出在基準方向振盪之直線偏光配置，前述偏光板及檢光板之另一方係配置成可調整成輸出在相對於基準方向±δ(δ≠n π/2，n係整數)之方向振盪之一對直線偏光之二個方向，而前述運算裝置，係求得就每一入射光所照射的方位根據表示對應於前述一對直線偏光之兩種測定光之光強度數據之差的差分數據，依據將該差分數據二乘方(平方)時兩個最大峰間之極小值存在的方位或兩個中間峰間之極小點存在的方位測定光學軸的方向，依據夾在相鄰之最大峰與中間峰之兩個極小點存在的方向測定光學軸之傾斜角，基於最大峰的高度測定異方性之大小。
  3. 如申請專利範圍第2項之光學異方性參數測定裝置，其中，前述照射光學系統係具備有照射因應測定目標物之 測定區域形狀之照射點形狀的平行光束之光源裝置，而前述測定光學系統係具備檢測反射自前述測定區域之平行光束的測定光光強度之1次元或2次元之光感測器。
TW096133007A 2006-09-25 2007-09-05 光學異方性參數測定方法及測定裝置 TWI421486B (zh)

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