WO1999026054A1 - Appareil de mesure des caracteristiques d'un angle optique - Google Patents

Appareil de mesure des caracteristiques d'un angle optique Download PDF

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WO1999026054A1
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mirror
sample
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optical angle
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Kazunori Tsutsui
Koichi Oka
Masayoshi Funato
Akira Kawaguchi
Tetsuo Hamada
Michio Tsujio
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Otsuka Electronics Co., Ltd.
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
    • G01N21/474—Details of optical heads therefor, e.g. using optical fibres
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    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution

Definitions

  • the present invention relates to an optical angle characteristic measuring device capable of measuring the intensity of light emitted from a sample as a function of angle.
  • the device for measuring the angle dependence of the emitted light is called an optical angle characteristic measuring device.
  • the device for measuring the angle dependence of the scattered light is called a light scattering intensity measuring device.
  • a detector that irradiates the sample with light from one direction and detects the scattered light is installed on the goniometer that rotates around the sample, and the goniometer is rotated to perform various operations. Performs angle detection.
  • the angle points to be measured must be reduced, and the accuracy of the data must be sacrificed.
  • the present invention is directed to an optical angle characteristic measuring apparatus capable of measuring the intensity of light emitted from a sample as a function of the angle of emergence.
  • Optical angle characteristic measurement device that can be performed in a short time The purpose is to realize the location.
  • the optical angle characteristic measuring device of the present invention is provided with a reflecting mirror for reflecting and condensing light emitted from a sample, and a condensing point of the reflected light from the reflecting mirror, and a surface of the reflecting mirror. It is provided with imaging means for imaging the image formed on the imaging surface, and imaging means for expressing the image formed by the imaging means.
  • the imaging unit can form an image formed on the mirror surface of the reflecting mirror on the imaging surface, the imaging unit can record the intensity pattern of the emitted light.
  • a reflecting mirror is merely used as a kind of integrating sphere.
  • the angle dependence of the emitted light can be measured at a time in a very wide angle range without moving the components constituting the optical system. Time efficiency can be remarkably improved. Therefore, it is possible to measure a sample that is difficult to measure and changes with time. For example, dynamic scattering characteristics can be measured.
  • the optical angle characteristic measuring apparatus of the present invention is an ellipsoidal mirror in which the reflecting mirror is constituted by a part of the spheroidal surface, the sample is arranged near the first focal point, and the imaging means is It is preferable to be arranged near the two focal positions.
  • an image formed on the mirror surface of the elliptical mirror can be formed on the imaging surface without aberration.
  • FIG. 1 shows a specific configuration of the present invention.
  • the light emitted from the sample 23 placed near the first focal point of the elliptical mirror 24 is reflected and collected by the elliptical mirror 24, and placed at the second focal point of the elliptical mirror 24.
  • Imaging means through the formed imaging lens 25 Incident on the camera 26.
  • the image formed on the recording surface of the camera 26 is an image formed on the mirror surface of the elliptical mirror 124, and corresponds to the emission angle of the light emitted from the sample.
  • the major feature of this image is that it is an aberration-free image due to its property of an elliptical mirror.
  • FIG. 2 is a coordinate diagram for explaining the emission angle. As shown in the figure, assuming a flat sample 23, the origin of measurement is the position on the sample 23 that is to be measured. Take the orthogonal coordinate system x, y, z as shown in the figure, The angle from the y-axis to the direction of the ray is 0, and the ray projected on the xz plane is the angle ⁇ that forms the X-axis.
  • the position of the elliptical mirror 124 on the mirror surface can be specified by 3 ⁇ 4S angle and.
  • Fig. 3 is a projection of the angle 0 and the angle ( ⁇ ) on the mirror surface of the elliptical mirror 24.
  • the real image of this projection is shown by the camera 26 by the action of the imaging lens 25. It is tied to the recording surface.
  • the reflecting mirror may be a spherical mirror composed of a part of a spherical surface or a triangular pyramid mirror composed of a part of a triangular pyramid.
  • the projected figure will be different from the calculated distribution, so it is necessary to correct the distribution using a standard sample whose viewing angle is known in advance (for example, a transmission grating).
  • a standard sample whose viewing angle is known in advance (for example, a transmission grating).
  • the greatest advantage in this case is that it is easier to make mirrors than elliptical mirrors.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the operation of the optical angle characteristic measuring device of the present invention.
  • FIG. 2 is a coordinate diagram for explaining the viewing angle.
  • Figure 3 is a projection of the ellipsoidal mirror on the mirror surface.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a light scattering intensity measuring device.
  • FIG. 5 is an extra-m diagram of the light scattering intensity measuring device.
  • FIG. 6 is a diagram showing an ellipsoidal mirror in which the surface of the spheroid is sliced and the inner surface is a mirror surface.
  • FIG. 7 is a diagram showing a specific structure of the light scattering intensity measuring device.
  • FIG. 8 is a diagram showing an intensity pattern of scattered light generated on the imaging surface of the CCD camera.
  • FIG. 9 is a graph showing the intensity pattern of the scattered light as a function of the scattering angle ⁇ .
  • FIG. 10 is a diagram showing a mirror 6b in which a part of a triangular pyramid is cut in a circle, and a mirror 6c in which a part of a spherical surface is cut in a circle.
  • FIG. 11 is a block diagram showing the entire configuration of the optical angle custom measurement device.
  • FIG. 12 is a detailed configuration diagram showing a first specific example of an optical system for measuring the angular characteristics of a self-luminous sample.
  • FIG. 13 is a detailed configuration diagram showing a second specific example of the optical system for measuring the angular characteristics of the Sli-type sample.
  • FIG. 14 is a detailed configuration diagram showing a third specific example of the optical system for measuring the angle characteristics of a transmission-type sample.
  • FIG. 15 is a detailed configuration diagram showing a third specific example of the optical system for measuring the polarization angle characteristics of a reflective or transmissive sample.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a light scattering intensity measuring apparatus according to the present invention.
  • the light scattering intensity measuring device is composed of a glass sample cell 1 containing a measurement sample, and a mirror 2a, 2b, a condenser lens 3a, 3b, an aperture 3c, and a glass window 8 in this sample cell 1.
  • a laser device that projects a laser beam through the pinhole 4 5 is provided.
  • the imaging lens 12 forms an image formed on the mirror surface of the elliptical mirror 6 on the imaging surface of the CCD camera 13.
  • Reference numeral 7 denotes an absorption plate that absorbs the transmitted laser beam straight through the cell 1 and prevents the transmitted laser beam from being reflected and scattered by the glass window 8 or the like.
  • the pinhole 4, the aperture 3c, and the aperture 11 cut the extra stray light around the laser beam and play a role in creating a clean laser beam aperture file.
  • the position of the laser device 5 is above the sample cell 1 for the sake of plan drawing, but the position is not limited to this as long as light can be incident on the cell 1.
  • it may be placed at the same height as the sample cell 1 (in this case, the arrangement of the mirror will of course change).
  • FIG. 5 is a perspective view showing the entire structure when the laser device 5 is placed at the same height as the sample cell 1. Comparing FIG. 5 with FIG. 4, the arrangement is the same as FIG. 4 except for the following (a) and (b).
  • the anisotropy / rigidity of the sample can be evaluated by evaluating this polarization component.
  • the above (b) is a trivial matter.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of functions of the elliptical mirror 6.
  • the elliptical mirror 6 has a spheroidal surface that is sliced into a circle and the inner surface is a mirror surface. Due to the nature of the spheroid, the light emitted from one focal point 61 hits the ellipsoidal mirror 6 and is focused on the other focal point 62.
  • the elliptical mirror 6 does not necessarily have to be in the shape of a circle with one round, and may be partially missing as shown in FIG. 6 (b). In short, it is only necessary that the mirror exists over the range of the scattering angle to be measured.
  • the light scattering intensity measuring device utilizes the property of the spheroid, Is placed in the sample cell 1, and the other focus is placed on the imaging lens 12. Therefore, the scattered light from the sample cell 1 that strikes the elliptical mirror 6 is reflected by the elliptical mirror 16, condensed on the imaging lens 12, and enters the CCD camera 13.
  • FIG. 7 is a diagram showing a specific structure of the light scattering intensity measuring device of FIG. In FIG. 7, a laser device for projecting a laser beam onto the cell 1, a mirror, and a focusing lens are not shown.
  • the sample cell 1 is set in a constant temperature immersion bath 43 filled with a liquid having a high refractive index, and the scattered light emitted from the sample cell 1 is reflected by the elliptical mirror 6 through the glass window 8. .
  • a flat mirror 10 that folds the light reflected by the elliptical mirror 16 is arranged. This plane mirror -10 has an effect of suppressing the height of the entire device by folding the reflected light.
  • the light turned back by the plane mirror 10 passes through an aperture 11 and an imaging lens 12 and enters a CCD camera 13.
  • the CCD camera 13 uses a light receiving element having a very high positional resolution (for example, 512 pixels), and thereby, it is possible to obtain high-resolution data having a scattering angle of 1 ° or less as a measurement angle resolution.
  • FIG. 8 shows an intensity pattern of scattered light generated on the imaging surface of the CCD camera 13.
  • the pattern of the scattered light is an imaging pattern of the entire mirror surface of the elliptical mirror 6 having a circular shape with a half missing as shown in Fig. 6 (b), and the scattering angle ( ⁇ is from 5 to 175 °).
  • Fig. 9 is a graph of this pattern with the scattering angle ⁇ on the horizontal axis.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment of the present invention.
  • a mirror 6c in which a part of a spherical surface is cut into a circle as shown in FIG. 10 (b) may be used.
  • Embodiment 2-FIG. 11 is a block diagram showing the overall configuration of the optical angle characteristic measuring device.
  • the optical angle characteristic measuring apparatus includes an optical system 21 having a spheroid mirror 24, an imaging lens 25, an imaging camera 26, and various motors 27 for moving various movable members. Have.
  • the optical angle characteristic measuring device includes an illumination light source 32 for generating monochromatic light for irradiating the liquid crystal display element 23 as an example of a sample, and a light for guiding the light of the illumination light source 32 to the optical system 21.
  • a fiber 35 (a mirror system may be used instead of the optical fiber 35) and a camera controller 31 that captures image data from the camera 26 and controls parameters such as exposure time.
  • a liquid crystal drive section 33 for generating a signal for driving the liquid crystal display element 23, a motor controller 34, a combination device 14 for controlling the whole device, a display device 15, and a keyboard 16. ing.
  • the sample is not limited to the liquid crystal display element, and that any material such as a light emitting diode, an emitting end of an optical fiber, a film, and a color filter may be used.
  • the illumination light source 32 is assumed to be a combination of a white illumination light source 32a and a monochrome light source 32b.
  • the selection of the monochrome wavelength 32 b wavelength is performed under the control of the combi night 14.
  • it is not limited to a monochromator, and may be a laser illumination light source. Instead of generating monochromatic light, it generates an illumination light source that generates polychromatic light or illumination that generates white light such as halogen lamps, Xe lamps, and metal halide lamps. It may be a light source. In short, what kind of illumination light source to use is determined according to the measurement conditions of ⁇ 23. If the sample emits light by itself, the illumination light source 32 need not be used. Les -In the case of the illumination light source, if the emitted light is linearly polarized light, it may be used as a circularly polarized light using a quarter-wave plate so that the polarization characteristics do not affect the measurement.
  • the camera 26 may be anything that stores the captured image, for example, may be a camera that converts an image into an electric signal such as a CCD camera, or may be a chemical camera that records an image on a film like an optical camera. You may do it.
  • C C a camera that converts an image into an electric signal
  • a chemical camera that records an image on a film like an optical camera. You may do it.
  • Motor 27 and motor controller 34 control the attitude of sample 23 and sample 2
  • FIG. 12 is a detailed configuration diagram showing a first specific example of the optical system 21. This second
  • the liquid crystal display element 23 is a self-luminous type.
  • the illumination light source for irradiating the liquid crystal display element 23 is not used, and is not shown.
  • the optical system 21 focuses the light emitted from the sample 23 placed near the first focus on the second focus position, and the stage 28 for placing the sample 23 and keeping it in an arbitrary posture.
  • An imaging lens 25 for forming an image, and a camera 26 for recording the image formed by the imaging lens 25 are provided.
  • an optical filter may be arranged in front of the camera 26. For example, a wavelength cut filter that removes wavelengths that are not necessary for measurement, a Y luminosity filter that approximates the sensitivity of the camera to the sensitivity of the human eye, a neutral density filter that reduces the light from the sample, etc. .
  • tristimulus value filters for measuring chromaticity and luminance may be selected and arranged.
  • the focal length of the spheroid mirror 24 was such that the first focal length f1 was 55 mm and the second focal length f2 was 600 mm.
  • the distance between the sample 23 and the lower end of the spheroid mirror 24 can be secured at 8 mm, and no special precautions are required for setting the sample 23.
  • FIG. 13 is a detailed configuration diagram showing a second specific example of the optical system 21. As shown in FIG. This second In the specific example 2, an illumination light source 32 that irradiates the liquid crystal display element 23 to measure the reflectance is used.
  • the illumination light source 3 2 includes a light source 3 2 h, a lens 3 2 c movable on the optical axis, an insect 13 ⁇ 4 stop 3 2 d arranged on the exit side of the lens 3 2 c, and a light source 3 2 And a reflection mirror 32 e for projecting the light to the first focal point of the ellipsoidal mirror 24.
  • the lens 32c is an adjusting member for connecting the spot of the illumination light source on the sample 23 or at infinity. The spot diameter is minimized when the position of the lens 32c is determined so that the virtual image of the light source is located at the position of the second focal point of the elliptical mirror.
  • the aperture angle of the illumination light is adjusted by the iris diaphragm 32d.
  • a darkening filter 32 f is placed at the position of regular reflection. (In Fig. 13, the angle of incidence 0 of the illumination light on the sample is 0 °. Hiding in the shadow of the mirror 32 e).
  • the dimming filter 32 f is a dimming filter (ND filter) for dimming specularly reflected light from the sample 23. Due to this dimming, the specular component can be suppressed and the dynamic range of diffuse component measurement can be secured.
  • FIG. 14 is a detailed configuration diagram showing a third specific example of the optical system 21. As shown in FIG. In the third specific example, an illumination light source 32 is arranged to illuminate the liquid crystal display element 23 from below.
  • an elliptical mirror 24a is arranged in the lower half of the stage 28 as well.
  • This elliptical mirror 24a is combined with the elliptical mirror 24 for condensing, so that one elliptical mirror power is cut out, so that the focal lengths f1 and f2 are the same and the focal point is the same. There is no worry that the position will shift.
  • Illumination The light source 32 is used by rotating the one used in FIG. 6 to the opposite side. By doing so, the transmittance and the reflectance can be measured with one illumination light source 32, and a compact and inexpensive optical angle characteristic measuring device can be realized. Also in the transmittance measurement, when the directly transmitted light is strong, use the darkening filter 32 f to secure the dynamic range of the diffuse component measurement.
  • FIG. 15 is a detailed configuration diagram illustrating a fourth specific example of the optical system 21.
  • the fourth specific example has a configuration for measuring the polarization characteristics of the liquid crystal display element 23.
  • the reflectance polarization characteristic can be measured.
  • the transmittance polarization characteristic can be measured.
  • the illumination light source 32 is provided with a polarizer 20 g, and a phase difference plate 30 a and an analyzer 30 b are provided between the elliptical mirror 24 and the imaging lens 25. ing.
  • Each of the polarizer 20 g, the retarder 30 a and the analyzer 3 Ob has a structure in which the plane of polarization can be rotated, and by combining these rotation angles with a predetermined angle, The physical quantities such as the ellipticity (tan ⁇ ) and the phase difference (cos ⁇ ) of the polarization of the sample can be obtained as a function of the 3 ⁇ 4 angle.
  • the polarizer 20 g, the retarder 30 a and the analyzer 30 b can be automatically retracted from the optical axis when the polarization characteristics are not measured.

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Description

明 細 書 光学角度特性測定装置
<技術分野 >
本発明は、 試料からの出射光の強度を、 角度の関数として測定することの できる光学角度特性測定装置に関するものである。
ぐ背景技術 >
試料に光を当て、 出射光の角度依存性や時間変ィ匕を測定することによって 粒子の大きさ、开狱、分子量、熱運動などに関する情報を得ることができる。 この出射光の角度依存性を測定する装置は、 光学角度特性測定装置といわ れ、 その中でも、 散乱光の角度依存性を測定する装置は光散乱強度測定装置 といわれる。 この光散乱強度測定装置は、 1方向から試料に光を照射し、 散 乱光を検出する検出器を、試料の回りに回転するゴニオメ一夕の上に設置し、 ゴニォメータを回転させていろいろな角度での検出を行う。
ところが、 前記の光散乱強度測定装置では、 広い角度範囲の散乱光を測定 しょうとすれば、 測定に数十分以上かかり時間効率が悪レ、とともに、 測定時 間内に会合や凝集などの経時変化を起こす試料は測定できないという欠点が める。
もし測定時間を短縮しょうとすると測定する角度ボイントを減らす必要が あり、 そのためにデータの精度を犠牲にしなければならない。
さらに、 ゴニオメ一夕を回転させた際に観測ポィントがずれないように、 非常に精度の高い機械設計をしなければならず、 このため装置製作に手間が かかるという問題もあった。
そこで、 複数の検出器を試料の回りに円環状に固定して、 散乱光検出を行 う装置も閧発されている。 しかし、 この装置では、 測定される角度の数は限 られてしまう。
本発明は、 試料からの出射光の強度を、 出射角の関数として測定すること のできる光学角度特性測定装置において、 3 6 0 ° を上限とする広い角度範 囲での出射光の検出を極めて短時間で行うことのできる光学角度特性測定装 置を実現することを目的とする。
<発明の開示 >
(1 )本発明の光学角度特性測定装置は、試料からの出射光を反射させて集光 するための反射鏡と、 反射鏡からの反射光の集光点に配置され、 反射鏡の表 面上にできた像を撮像面に結像する結像手段と、 結像手段により結像された 像を言 3^する撮像手段とを備えるものである。
前記の構成によれば、 結像手段は、 反射鏡の鏡面にできた像を撮像面に結 像させることができるので、 撮像手段は、 出射光の強度パターンを記録する ことができる。
このように、 結像手段や撮像手段を備える点で、 反射鏡を単に積分球の一 種として利用するにすぎない特開平 2— 2 2 3 8 4 5号公報、 特開昭 6 4 -
2 9 7 3 7号公報に記載の発明とは異なっている。
本発明の光学角度特性測定装置によれば、 出射光の角度依存性を、 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、 = ^測定が難しかつた経時変化を起こす試料の測定が可能とな る。例えば、 動的散乱特性を測定することもできる。
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。
(2)本発明の光学角度特性測定装置は、反射鏡が回転楕円体面の一部から構 成される楕円面ミラ一であり、 試料は第 1焦点の近傍に配置され、 結像手段 は第 2焦点位置の近傍に配置されることが好ましい。
この構成であれば、 楕円面ミラ一の鏡面にできた像を収差なく撮像面に結 像させることができる。
この光学角度特性測定装置の働き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 2 4の第 1焦点近傍の位置に設置され た試料 2 3から出射された光は、 楕円面ミラ一 2 4で反射集光され、 楕円面 ミラー 2 4の第 2焦点位置に配置された結像レンズ 2 5を通して、 撮像手段 であるカメラ 2 6に入射される。
カメラ 2 6の記録面に結像された像は、 楕円面ミラ一 2 4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に対応している。この像は、 楕円面ミラ一という性質上、 無収差の像であることが大きな特徴である。 図 2は、 出射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 2 3を想定し、 その試料 2 3の上の測 ^"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 0をとり、 x z面に投影された光線が X軸となす角度 øをとる。 これらの角度 0、 øを 「視野角」 という。 ¾S角 、 により楕円面ミラ一 2 4の鏡面上の位置を 特定することができる。
図 3は、 楕円面ミラ一 2 4の鏡面上に写った角度 0、 角度 (^の投影図であ る。 この投影図の実像が、 結像レンズ 2 5の作用によって、 カメラ 2 6の記 録面に結ばれる。
したがって、 角に応じた試料の偏光特性、 散乱角 、 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 角の範 囲は、無収差であって、かつ図 3に例示したように、 0 = 0 ° から 0 = 9 0 °、 =ー2 0 ° ( 3 4 0 ° ) から 0 = 2 0 0 ° と広い範囲にわたっている。 なお、 楕円面ミラー 2 4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。
(3)前記反射鏡は、球面の一部から構成される球面ミラ一又は三角錐面の一 部から構成される三角錐ミラーであってもよい。 この場合も、 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。 この場合 の最大の利点は、 楕円面ミラ一と比べてミラーの製作が容易になることであ る。
<図面の簡単な説明 >
図 1は、本発明の光学角度特性測定装置の作用を説明するための図である。 図 2は、 視野角を説明するための座標図である。
図 3は、 楕円面ミラ一の鏡面上に写った投影図である。
図 4は、 光散乱強度測定装置の概略図である。
図 5は、 光散乱強度測定装置の余m図である。
図 6は、 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一 を示す図である。
図 7は、 光散乱強度測定装置の具体的構造を示す図である。
図 8は、 C C D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 9は、 散乱光の強度パターンを散乱角 øの関数として示すグラフである。 図 1 0は、 三角錐の一部を輪切りにしたミラ一 6 bや、球面の一部を輪切 りにしたミラー 6 cを示す図である。
図 1 1は、 光学角度特注測定装置の全体構成を示すブロック図である。
図 1 2は、自己発光形の試料の角度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 1 3は、 Sli型の試料の角度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 1 4は、 透過型の試料の角度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 1 5は、 反射型又は透過型の試料の偏光角度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。
<発明を実施するための最良の形態 >
以下、 本発明の のための最良と思われる形態を、 ¾f寸図面を参照しな がら詳細に説明する。
ー魏形態 1一
図 4は、 本発明に係る光散乱強度測定装置の概略図である。
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にミラ一 2 a、 2 b、集光レンズ 3 a、 3 b、 アパーチャ 3 c、 ガラスウィンドウ 8、 ピンホール 4を通してレ一ザ光線を投射するレーザ装 置 5とを備えている。 さらに からの散乱光を結像レンズ 1 2に集光させ るための楕円面ミラー 6と、 楕円面ミラ一 6からの反射光を通すアパーチャ 1 1と、 結像レンズ 1 2と、 C C Dカメラ 1 3とを配置している。 結像レン ズ 1 2は、 楕円面ミラー 6の鏡面にできた像を C C Dカメラ 1 3の撮像面に 結像させるものである。 7は,セル 1を真つ直く、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 つて反射'散乱されることを防ぐ。 ピンホール 4やアパーチャ 3 c、 ァパ一 チヤ 1 1は、 レーザ光の周りの余分な迷光をカツトし、 きれいなレーザ光プ 口ファイルを作る役割を果たしている。
なお、 図 4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、 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 場合ミラ一の配置はもちろん変わってくる）。
図 5は、 レーザ装置 5を試料セル 1と同じ高さに置いた場合の、 全■成 を示す斜視図である。 この図 5と、 図 4とを比較すると、 次の (a )、 （b)以外 は、 図 4と同じ配置となる。
(a)偏光子 4 1と検光子 4 2が追加されていること。
(b)セル 1に対する光の入射方向が 9 0 ° 違っていること。
前記 )により、試料セル 1に照射する光と から散乱された光との偏光 成分が分かるので、 この偏光成分を評価することにより、 試料の異方性ゃ剛 直性の評価が行える。 前記 (b)は些細な事項である。
図 6は、楕円面ミラー 6の機能説明図である。楕円面ミラー 6は図 6 (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 6 1から出た光は、 楕円面ミラー 6に 当たり、 他方の焦点 6 2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 6 (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。
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 つて、 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 面ミラ一 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 7は、 図 4の光散乱強度測定装置の具体的構造を示す図である。 図 7に おいて、 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。
試料セル 1は、 高屈折率の液体を満たした恒温液浸バス 43の中にセヅト され、 試料セル 1から出た散乱光は、 ガラスウィンドウ 8を迎して、 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一 6によ り反射された光を折り返す平面ミラ一 10が配置されている。 この平面ミラ -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。
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は位置分解能 (例えば 512 512画素） の非常に高い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。
図 8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 6(b) に示した約半分が欠けた輪状の 楕円面ミラー 6のミラ一面の結像パターンであり、 散乱角 (^が 5。 から 17 5° という角度範囲を力パーしている。 このパターンを散乱角 øを横軸にと りグラフにしたものが図 9である。
このように、 光学系を構成する要素を動かすことなしに、 広い角度の中の 任意の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、 本発明は、 前記の発明の実施形態に限られるものではない。例えば、 試料からの散乱光を結像レンズ 12に集光させるのに、楕円面ミラ一以外に、 図 10(a) に示すような三角錐の一部を ¾0りにしたミラ一 6bや、 図 10 (b) に示すような球面の一部を輪切りにしたミラ一 6 cを使用してもよい。 これらのミラ一 6 b、 6 cを使うときは、 楕円面ミラ一 6のように 1つの焦 点から出て楕円面ミラ一 6に当たつた光が無収差で他の 1つの焦点に集まる 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 6 b、 6 c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 6 b、 6 c使っても、 楕円面ミラ一 6を使ったのと遜色ない精度で 散乱光のデ一夕を得ることができる。
一実施形態 2 - 図 1 1は、 光学角度特性測定装置の全体構成を示すブロック図である。 光学角度特性測定装置は、 回転楕円面ミラー 2 4と、 結像レンズ 2 5と、 撮像用カメラ 2 6と、 各種可動部材を動かすための各種モータ 2 7とを有す る光学系 2 1を備えている。
さらに、 光学角度特性測定装置は、 試料の一例としての液晶表示素子 2 3 を照射するための単色光を発生する照明光源 3 2と、 照明光源 3 2の光を光 学系 2 1に導く光ファイバ 3 5 (この光ファイバ 3 5の代わりにミラー系を 用いてもよい） と、 カメラ 2 6からの画像デ一夕を取り込むとともに露光時 間などのパラメ一夕を制御するカメラ制御部 3 1と、 液晶表示素子 2 3を駆 動する信号を発生する液晶駆動部 3 3と、 モータコントローラ 3 4と、 全体 を制御するコンビユー夕 1 4と、 表示装置 1 5と、 キーボード 1 6とを備え ている。 なお、 試料は、 液晶表示素子に限らず、 発光ダイオード、 光フアイ パの出射端、 フィルム、 カラーフィル夕などどんなものを用いてもよいこと を予め断っておく。
前記照明光源 3 2は、 白色照明光源 3 2 aとモノクロメ一夕 3 2 bとの組 合せを想定している。 モノクロメ一夕 3 2 b波長の選択は、 コンビュ一夕 1 4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、 X e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^ · 2 3の測定条件に応じて決められるものである。 また、 試料が 自ら発光するものであれば、 この照明光源 3 2は、 使用しなくてもよい。 レ —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。
前記カメラ 2 6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 C C D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言己録するものでもよい。 図 1 1では C C
Dカメラを想定している。
モータ 2 7及びモー夕コントローラ 3 4は、 試料 2 3の姿勢制御、 試料 2
3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。
図 1 2は、 光学系 2 1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 2 3が自己発光型である場合を想定している。 液晶表示素子 2 3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 2 1は、 試料 2 3を置いて、 任意の姿勢に保っためのステージ 2 8 と、 第 1焦点の近傍に配置される試料 2 3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 2 4と、 回転楕円面ミラー 2 4からの反射光を 通すアパーチャ 2 9と、 回転楕円面ミラー 2 4の第 2焦点に配置され、 回転 楕円面ミラ一の表面にできた像を結像させる結像レンズ 2 5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 2 6とを備える。 なお、 カメラ 2 6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 を除去する波長カツトフィル夕や、 カメラの感度を人間の目の感度に近似さ せる Y視感度フィル夕や、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刺激値フィル夕を選んで配置しても よい。
回転楕円面ミラ一 2 4の焦点距離は、 第 1焦点距離 f 1が 5 5 mm、 第 2 焦点距離 f 2が 6 0 0 mmのものを使用した。 試料 2 3と回転楕円面ミラ一 2 4の下端面との距離は 8 mm確保でき、 試料 2 3の設置に特別な注意を要 しない。
図 1 3は、 光学系 2 1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 2 3を照射する照明光 源 3 2が使用されている。
この照明光源 3 2は、光源 3 2 hと、光軸上を移動可能なレンズ 3 2 cと、 そのレンズ 3 2 cの出射側に配置される虫 1¾絞り 3 2 dと、 光源 3 2 から の光を楕円面ミラ一 2 4の第 1焦点に投影するための反射ミラ一 3 2 eとを 備えている。 なお、 反射ミラ一 3 2 eの位置は、 光源 3 2 hからの光を楕円 面ミラー 2 4の第 1焦点の真上 （0 = 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、反射ミラ一 3 2 eの位置、角度を変えることにより、 0 = 0 ° から数十度までの範囲で楕円面ミラー 2 4に投影することができる。 レンズ 3 2 cは、 照明光源のスポットを試料 2 3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 3 2 c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 3 2 dにより調節する。
また、 正反射の位置に減光フィル夕 3 2 f を配置している （図 1 3では照 明光の試料への入射角 0が 0 ° になっているため、 減光フィルタ 3 2では、 反射ミラー 3 2 eの影に隠れている）。この減光フィル夕 3 2 fは、試料 2 3 からの正反射光を減光するための減光フィル夕 （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。
図 1 4は、 光学系 2 1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 2 3を下から透過照明するために照明光源 3 2を配置している。
液晶表示素子 2 3を下から 311照明するために、 ステージ 2 8の下半分に も楕円面ミラ一 2 4 aを配置している。 この楕円面ミラ一 2 4 aは、 集光用 の楕円面ミラ一 2 4と合わせて、 1個の楕円面ミラー力 >ら切り出されるので、 焦点距離 f 1、 f 2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 3 2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 3 2で透過率、反射率を測定することができ、 小型で安価な光学角度特性測定装置を実現できる。 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、 減光フィル夕 3 2 fを使用する。
図 1 5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 2 3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 3 2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 3 2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。
照明光源 3 2には偏光子 2 0 gが設けられ、 楕円面ミラ一 2 4と結像レン ズ 2 5との間には、 位相差板 3 0 aと検光子 3 0 bとが設けられている。 偏 光子 2 0 g、 位相差板 3 0 a、 検光子 3 O b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つ 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、 ¾角の関数として求めることができる。
なお、 偏光子 2 0 g、 位相差板 3 0 a、 検光子 3 0 b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。

Claims

請 求 の 範 囲
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角 度特性測定装置であって、
試料からの出射光を反射させて集光するための反射鏡と、 反射鏡からの反 射光の集光点に配置され、 反射鏡の表面上にできた像を撮像面に結像する結 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 を特徴とする光学角度特性測定装置。
2 . 試料に光を照射する照射光源をさらに有する請求項 1記載の光学角度 特性測定装置。
3 . 前記照明光源は、 ^に照射する光の波長を可変するモノクロメ一夕 であることを特徴とする請求項 2記載の光学角度特性測定装置。
4 . 前記照明光源は、 反射照明光源である請求項 2記載の光学角度特性測
5 . 前記照明光源は、 透過照明光源である請求項 2記載の光学角度特性測
6 . 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、 ^^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記載の光学角度特性測定装置。
7 . 反射鏡が回転楕円体面の一部から構成される楕円面ミラ一であり、 試 料は第 1焦点の近傍に配置され、 結像手段は第 2焦点位置の近傍に配置され る請求項 1記載の光学角度特性測定装置。
8 . 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 (32)を さらに備えることを特徴とする請求項 Ί記載の光学角度特性測定装置。
9 . 反射鏡が、球面の一部から構成される球面ミラ一又は三角錐面の一部 から構成される三角錐ミラーである請求項 1記載の光学角度特性測定装置。
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