JP4538344B2 - 軸方位測定装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は偏光子、移相子などの偏光素子の軸方位を測定する装置およびその方法に関する。

偏光フィルム（偏光子）や位相差フィルム（移相子）は特定の偏光状態を抽出したり、偏光状態を変えたりする機能性素材であり、液晶ディスプレイ等に使われている。これらのフィルムは透光性があり、かつ複屈折性のあるフィルムで構成され、光の透過率の差、屈折率の差、屈折率の軸方位などで特徴づけられている。例えば、２色性の偏光フィルムは偏光方向に対する透過率の差を利用して所定方向の直線偏光を取り出すものである。位相差フィルムは屈折率の差と膜の厚さの積が、利用する光の波長の何倍かになっているかで特徴づけられ、１／４波長板、１／２波長板のものが多用されている。
偏光フィルムの透過軸方位の決定は、基準となる偏光子に対して偏光フィルムを回転させ、基準となる偏光子の透過軸と偏光フィルムの透過軸とが直交する方位、つまり透過光の強度が最小となる方位（消光位）を測定することで行う。そして、消光位での透過光強度と、消光位から９０°偏光フィルムを回転させたとき（偏光子の透過軸と偏光フィルムの透過軸が平行となる方位）の透過光強度とから、偏光フィルムの偏光度もしくは消光率を求めればよい（その他の例としては、特許文献１参照）。
同様に位相差フィルムの場合の固有直線偏光の軸方位（中性軸）の決定は基準となる２枚の偏光子（偏光板）をクロスニコルの状態に設置し、その間に位相差フィルムを置き、位相差フィルムを回転して透過光強度が最小となる方位を測定することで行う。位相差フィルムの中性軸が２枚の偏光子の透過軸方向に一致したとき透過光強度が最小になる。つまり、それぞれの偏光子の透過軸方向は直交する２つの方向であるが、位相差フィルムの中性軸方位も直交する２つの方向であり、これらがそれぞれの偏光子の偏光方向に一致すればよい。
特開平４−３６６３１号広報

しかしながら、例えば偏光フィルムに対する測定において、偏光フィルムの透過軸方位の絶対的な方向までは正確に決まらない。つまり、偏光フィルムの透過軸方位は基準となる偏光子の透過軸方位に直交していること自体は分かるが、基準となる偏光子自身の透過軸方向が正しく定められている保証はないからである。すなわち、絶対的な方位を測定するためには、疑いなく軸方位が定められた標準の偏光子が必要であるが、これを用意することは原理的に困難であり、結果として試料に対して求まる消光軸方位には確からしさが決定的に欠落していた。同様に位相差フィルムの場合でも、基準となる２枚の偏光子がクロスニコルの位置にあるということは、２枚の偏光子の相対的な位置関係が、それぞれの偏光方向が直交している方向にあるというだけのことであり、各偏光子の偏光方向が絶対的に定まるものではなく、これを定めるために別の手段が必要になる。すなわち、試料となる偏光フィルムや位相差フィルムの軸方位を正確に決定するためには、まず基準となる偏光子自身の透過軸方向の絶対的な方位を求める必要がある。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は偏光子や移相子などの試料の軸方位を正確に決定する方法および装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の軸方位測定装置は直線偏光素子を試料として、該試料の透過軸方位を決定する軸方位測定装置であって、光照射手段と、該光照射手段からの光を直線偏光として試料に照射する基準偏光子と、該基準偏光子に対向して設置される試料を、光軸を中心として回転し試料の方位を変更する試料回転手段と、前記試料を透過した光を検知する光検出手段と、前記試料回転手段により試料を回転させたときの透過光強度が最小になる試料の方位角に基いて、試料の透過軸方位を演算する軸方位演算手段と、を備える。ここで前記軸方位演算手段は、前記試料の一方の面を前記基準偏光子に対向させたときの透過光強度が最小となる方位角θ_＋と、前記試料を裏返して試料の基準偏光子に対向する面を他方の面にしたときの透過光強度が最小になる方位角θ₋とに基いて、試料の透過軸方位を演算することを特徴とする。

上記の軸方位測定装置において、前記演算手段は、前記基準偏光子の消光軸方位を方位角θ_＋と方位角θ₋の中間位置θ_０＝（θ_＋＋θ₋）／２として求め、該方位角θ_０を基に試料の透過軸方位を求めることが好適である。
上記の軸方位測定装置において、前記試料回転手段によって試料を回転し、透過光強度が最小になる試料の方位を求める処理手段を備えることが好適である。この処理手段は、前記試料回転手段により試料を回転させて、透過光強度がおおむね最小となる仮の方位を決定する仮方位決定部と、前記仮方位近傍の複数の角度位置で透過光強度を測定し、測定した透過光強度をそのときの角度位置と関連付けて記憶する仮方位近傍測定部と、前記記憶した透過光強度を角度位置の二次関数でフィッティングし、該二次関数の頂点位置を算出する算出部とを備える。そして、前記算出部により算出された頂点位置から透過光強度が真に最小となる方位を求める。
上記の軸方位測定装置において、前記基準偏光子の位置から前記光検出手段の受光部位を覗いたときの立体角が１×１０^−２πｓｒ以下となるように、前記基準偏光子が光検出手段から離されて配置されていることが好適である。

また、本発明の軸方位測定方法は、基準偏光子と、試料としての直線偏光素子とを相対向させ、前記基準偏光子に対する前記試料の方位を変更して、前記基準偏光子および前記試料を透過した光の強度が最小となる方位を測定することで、試料の透過軸方位を決定する軸方位測定方法であって、前記試料の一方の面を基準偏光子に対向させ、透過光強度が最小になる表側方位角θ_＋を測定する表側測定工程と、前記試料を裏返して、試料の基準偏光子に対向する面を他方の面にしたときの透過光強度が最小になる裏側方位角θ₋を測定する裏側測定工程と、前記表側方位角θ_＋と前記裏側方位角θ₋とに基いて試料の透過軸方位を算出する算出工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の軸方位測定装置は、直線移相素子を試料として、該試料の中性軸方位を決定する軸方位測定装置であって、光照射手段と、光照射手段からの光を直線偏光とし、試料に照射する第１基準偏光子と、第１基準偏光子に対しクロスニコルの状態で設置され、試料からの透過光を透過する第２基準偏光子と、前記第１および第２基準偏光子の間に設置された試料を、光軸を中心として回転し、該試料の方位を変更可能な試料回転手段と、第２基準偏光子を透過した光を検出する光検出手段と、前記試料回転手段により試料を回転させたときの透過光強度が最小になる方位角に基いて、試料の中性軸方位を演算する軸方位演算手段とを備える。そして、軸方位演算手段は前記試料の一方の面を第１基準偏光子に対向させたときの透過光強度が最小になる表側方位角θ_＋と、前記試料を裏返して前記試料の前記第１基準偏光子に対向する面を他方の面にしたときの透過光強度が最小になる裏側方位角θ₋と、に基いて、試料の中性軸方位を演算することを特徴とする。

上記の軸方位測定装置において、前記軸方位演算手段は、前記基準偏光子の消光軸方位を、表側方位角θ_＋と裏側方位角θ₋の中間位置θ_０＝（θ_＋＋θ₋）／２として求め、該方位θ_０を基に試料の中性軸方位を求めることが好適である。
上記の軸方位測定装置において、前記試料回転手段によって試料を回転し、透過光強度が最小になる試料の方位を求める処理手段を備えることが好適である。ここで処理手段は、前記試料回転手段により試料を回転させて、透過光強度が略最小となる仮の方位を決定する仮方位決定部と、前記仮方位近傍の複数の角度位置で透過光強度を測定し、測定した透過光強度をそのときの角度位置と関連付けて記憶する仮方位近傍測定部と、複数の角度位置での透過光強度を、該角度位置の二次関数でフィッティングし、該二次関数の頂点位置を算出する算出部とを備え、該算出部により算出された頂点位置から透過光強度が真に最小となる方位を求める。

上記の軸方位測定装置において、前記第１基準偏光子の位置から前記光検出手段の受光部位を覗いたときの立体角が１×１０^−２πｓｒ以下となるように、前記第１基準偏光子が前記光検出手段と離されて配置されていることが好適である。
また、本発明の軸方位測定装置は、クロスニコルに設置された第１及び第２の基準偏光子の間に、試料としての直線移相子を設置し、該試料を光軸を中心として回転させることにより、前記第１および第２基準偏光子に対する前記試料の方位を変更し、前記第１基準偏光子、試料、第２基準偏光子を透過した光の強度が最小となる方位を測定することで、試料の中性軸方位を決定する軸方位測定方法であって、前記試料の一方の面を第１基準偏光子に対向させ、透過光強度が最小になる表側方位角θ_＋を測定する表側測定工程と、試料を裏返し、前記試料の第１基準偏光子に対向する面を他方の面にしたときの透過光強度が最小になる裏側方位角θ₋を測定する裏側測定工程と、前記表側方位角θ_＋と裏側方位角θ₋とに基いて試料の中性軸方位を算出する算出工程と、を含むことを特徴とする。

上記の装置および方法で、基準偏光子の軸方位の測定、試料の軸方位の測定に際し、必ずしも同一の試料を用いる必要はない。つまり、基準偏光子の軸方位の測定に際しては、基準偏光子の軸方位測定用に用意した標準試料を用いて、基準偏光子の軸方位をあらかじめ決定しておき、その後、あらかじめ決定しておいた基準偏光子の軸方位に基いて、測定対象の試料の軸方位を測定する、というようにしてもよい。
また、上記の光検出手段の受光部位とは、光検出手段が積分球と検知器から構成されている場合、積分球の入射開口のことを指す。また、検知器のみで構成されている場合、検知器自身の受光面のことを指す。

本発明の装置および方法によれば、直線偏光素子や直線移相素子などの試料に対し、試料の表と裏の両方から求めた消光方位に基き、試料の軸方位を決定しているため、論理的厳密さをもって、軸方位を正確に決定することができる。

以下に本発明の好適な実施形態を図面を参照して説明する。まず、試料として偏光フィルム（直線偏光素子）の軸方位を測定する場合について説明する。図１は本発明の実施形態にかかる軸方位測定装置の概略構成図である。軸方位測定装置１０は、光源２８および分光器３０で構成された光照射手段１２と、基準偏光子１４と、試料を保持する試料ホルダ１６と、試料ホルダ１６を載置し光軸を中心に回転可能な試料回転手段１８と、積分球３２および検知器３４で構成された光検出手段２０と、各手段の制御、データの処理などを行うコンピュータ２２とを備える。
光照射手段１２からの光は基準偏光子１４を通り直線偏光とされ、試料ホルダ１６に保持された試料へ照射される。試料からの透過光は光検出手段２０によって検出され、コンピュータ２２へと送られる。ここで、光検出手段２０は、検知器３４の受光面での位置ムラや偏光特性の影響を除くため、積分球３２を備えることが望ましいが、必須というわけではない。

コンピュータ２２内の処理手段２４は試料回転手段１８を制御して基準偏光子１４の偏光方向に対する試料の方位を変更し、試料からの透過光強度が最小になる角度を求める。
コンピュータ２２内の軸方位演算手段２６は、透過光強度が最小になる試料の方位角に基いて試料の透過軸方位を演算する。本実施形態における最も特徴的な部分はこの軸方位演算手段２６の部分である。すなわち、軸方位演算手段２６は、試料の一方の面を基準偏光子１４に対向させたときの透過光強度が最小になる表側方位角θ_＋と、試料を裏返し、試料の基準偏光子１４に対向する面を他方の面にしたときの透過光強度が最小になる裏側方位角θ₋とに基いて演算を行う。このように、試料もしくは基準偏光子１４を裏返したときの測定結果も用いることで、後述するように厳密に基準偏光子の軸方位を決定することができ、その結果、試料の透過軸方位も正確に求めることが可能となる。

また、本発明にかかる軸方位測定方法は、基準偏光子からの直線偏光を試料としての直線偏光素子に照射して、前記基準偏光子に対する前記試料の方位を変更し、前記試料を透過した光の強度が最小となる方位を測定することで測定対象物の軸方位を決定するものである。そして、試料の一方の面を基準となる偏光子に対向させ、透過光強度が最小になる表側方位角θ_＋を測定する表側測定工程と、試料を裏返して、試料の基準偏光子に対向する面を他方の面にしたときの透過光強度が最小になる裏側方位角θ₋を測定する裏側測定工程と、上記表側方位角θ_＋と裏側方位角θ₋とに基いて前記基準偏光子および／または試料の軸方位を算出する算出工程と、を含むことを特徴としている。
以上が本実施形態の軸方位測定装置および方法の概略構成であり、以下により詳細に説明を行う。

まず、本実施形態の試料ホルダ１６は図２（ａ）、（ｂ）に示すように、測定光を試料に照射するための測定光通過窓と、試料を固定する試料オサエと、を備えている。試料ホルダ１６は測定光通過窓の中心を通り試料に垂直な軸を回転軸として試料回転手段によって回転する。また、試料ホルダ１６には、試料フィルムを載せたときに試料の方位（角度位置）を定義するための基準線を設けている。この基準線は完全に平坦な突き当てバー（図２（ａ））あるいは２本のピン（図２（ｂ））などで構成する。試料となる偏光フィルムにはやはり基準辺を定め、この辺が試料ホルダの基準線に一致するように試料をホルダに載せる（図３（ａ）、（ｂ）参照）。また、このとき試料の透過軸方位が試料ホルダ１６の基準線に概ね一致するように、つまり、試料となる偏光フィルムの基準辺が概ね透過軸方向と平行になるようにするのが望ましい。

試料フィルムを試料ホルダに設置した後、以下に述べる手順に従い、試料フィルムの透過軸方位を決定する。図４（ａ）に示すように、基準偏光子の消光軸（透過軸と直交する軸）方位の角度位置をδとする。同図での大きな円は装置の試料回転手段等に設けられた角度目盛りを示している。また、図４（ｂ）に示すように試料の基準辺（基準線）に対する透過軸の角度をαとする。この角度αが求めたい量である。また、課題の欄で述べたように、基準偏光子の消光軸の角度位置（例えば、装置に設けられた角度目盛りで測った位置）は正確にはわからないため、角度位置δも未知である。

（１）表側測定工程
試料の一方の面を基準偏光子に相対向させた状態で、透過光強度が最小となる方位θ_＋（試料の基準線の角度位置）を定める。この状態では、図５（ａ）に示すように、基準偏光子の消光軸と試料の透過軸が一致（基準偏光子の透過軸と試料の透過軸が直交）する。このときの試料の基準線の方位である表側方位角θ_＋は、上記の角度δ、αを用いて、θ_＋＝δ−αと表せる。
（２）裏側測定工程
次に試料を裏返しにしてセットし、表面測定工程で対向させた面と逆側の面を基準偏光子に対向させ、そのときの透過光強度が最小となる方位θ₋を定める。つまり、試料への光の入射側の面を表側測定工程のときと逆にして測定を行う。図５（ｂ）に示すように、試料を裏返したときの試料の透過軸は、試料ホルダの基準線に対して、表側のときの透過軸と対称な位置関係にある。そのため、裏返したときの基準線の方位（裏側方位角θ₋）は、上記の角度δ、αを用いて、θ₋＝δ＋αと表せる。
（３）軸方位算出工程
上記表側方位θ_＋と裏側方位θ₋の中間位置θ_０＝（θ_＋＋θ₋）／２を計算する。上記の式よりθ_０＝δとなるため、方位θ_＋と方位θ₋の中間位置θ_０＝（θ_＋＋θ₋）／２を求めることにより、基準偏光子の消光軸方位を決定することができる。また、θ_＋−θ_０＝−α、θ₋−θ_０＝αとなるから、これから試料ホルダの基準線（試料の基準辺）から測った試料の透過軸方位αを求めることができる。

以上では測定対象となる試料を用いて基準偏光子の消光軸の方位を決めたが、基準偏光子の軸方位の測定に際しては基準偏光子の軸方位測定用に用意した標準試料を用いて決定してもよい。標準試料は一辺を完全に平坦にした基板に、その辺と消位軸がおおむね平行になるように偏光子を固定して構成する。この標準試料は裏返しても全く同等に使用できるように作る。この標準試料を用いて、上記の工程により基準偏光子の消光軸方位を定める。つまり、標準試料に対して表側測定工程と裏側測定工程とを行い、そこで求めた方位角θ_＋、θ₋により基準偏光子の消光軸方位θ_０を求める。次に試料となる偏光フィルムをステージに載せ、透過光が最小となる角度位置を求め、これをθ_ｏｂｓとする。試料の透過軸方位はθ_ｏｂｓ−θ_０と算出すればよい。
試料の偏光度あるいは消光率を算出するには上記のようにしてを試料の透過軸を定め、消光位での透過光強度を測定する。次いで試料を正確に９０°回転し、そのときの透過光の強度を測定し、これら二つの強度から定法により偏光度あるいは消光率を算出すればよい。

また、図１に示した装置においてはコンピュータ２２内の該記憶手段３６に上記表側測定工程、裏側測定工程で測定した表側方位角θ_＋、裏側方位角θ₋を記憶する。そして軸方位演算手段２６により、方位角θ_＋、θ₋を記憶手段３６から読み出し、その中間位置θ_０＝（θ_＋＋θ₋）／２を計算する。こうして求めた基準偏光子の消光軸方位θ_０は記憶手段に記憶される。そして、上記測定した方位θ_＋（もしくはθ₋）から試料の透過軸方位を求める。また、基準偏光子の消光軸方位を標準試料にて決定したときは、あらたに試料の透過軸方位θ_ｏｂｓを測定し、記憶しておいた基準偏光子の消光軸方位θ_０により試料の消光軸方位を算出する。
以上のように試料（もしくは標準試料）を表と裏の両方から消光方位を定めるという簡単な方法により、論理的厳密さをもって、その消光軸方位を定めることができるようになった。

最小透過光強度方位の決定機構
次に透過光強度の最小位置を決める好適な機構について説明する。
偏光フィルムや位相差フィルムの軸方向を決定しようとする場合、透過する光の強度は装置側の基準偏光子の軸と、偏光もしくは位相差フィルムの軸の間の角θの倍角２θの余弦（１−ｃｏｓ２θ）／２に比例し、消光位（θ＝０）の位置で角度に対する変化率がゼロとなる。そのため、これをヒトの目で正確に定めることは難しく、最高度に熟練した人で２／１００°、普通の人では１／１０°が限界とされている。また、光検知器を用いた場合でも透過光強度が真に最小となる位置を決めるのは難しい。そのため、偏光フィルムの偏光度（あるいは消光度）や軸方位、位相フィルムの軸方位に対する測定の正確さは十分でなかった。

そのため、図１の実施形態においては、処理手段２４は回転ステージ１８により試料を回転させて、透過光強度がおおむね最小となる仮の方位を決定する仮方位決定部３８と、仮方位近傍の複数の角度位置で透過光強度を測定し、測定した透過光強度をそのときの角度位置と関連付けて記憶する仮方位近傍測定部４０と、複数の角度位置での透過光強度を、該角度位置の二次関数でフィッティングし、該二次関数の頂点位置を算出する算出部４２とを備える。算出された頂点位置は記憶手段３６に記憶される。このように、透過光強度が最小となる方位は算出部４２により算出された頂点位置として求まることとなる。

仮方位決定部３８では回転ステージを制御して試料を回転させ、光検出手段による検出信号を監視し、透過光強度がおおよそ最小の位置となる方位を決定し、仮の方位とする。
仮方位近傍測定部４０では試料を回転させて仮方位位置近傍の複数の角度位置で透過光の強度を測定し、それらの透過光強度と、そのときの試料の角度位置を関連付け記憶手段３６に記憶する。例えば、仮の方位から正負の方向（反時計回り、時計周り）に適当な角度間隔（例えば、０．１°間隔）で、複数の角度位置での透過光強度を測定する。
算出部では図６に示すように、得られた複数の角度位置での透過光強度に対し、角度位置の２次関数として、最小二乗法等の方法でフィッティングする。図６では０．１°間隔で１１点の角度位置における透過光強度を測定した例を示した。ここで、横軸が角度位置、縦軸が透過光強度であり、仮の方位を０°の位置とした。このようにして得られた２次関数に対し頂点座標を求める。この頂点座標が消光位の正確な角度（透過光強度が最小になる方位角）である。

また、本実施形態の方法においても、透過光強度の最小位置の決定を上記に示したような方法で行うことが好適である。つまり、透過光の強度が略最小となる角度を仮の方位とし、該仮方位近傍の複数の角度位置における透過光強度を測定する。次に求めた複数の角度位置での透過光強度を、角度位置の２次関数としてフィッティングし、該二次関数の頂点座標を算出する。この頂点座標が透過光強度が最小となる正確な位置である。
このように、透過光強度の最小位置の近傍を２次関数で近似し、その２次関数の頂点の位置を算出しているため、角度送りの正確さレベル、あるいはそれ以上のレベルで、透過光強度の最小位置を定めることができる。

基準偏光子の配置
基準偏光子に付着したゴミや傷による散乱のために出射光に非偏光成分が含まれることがある。そのため、基準偏光子を光検出手段から離して設置することにより、非偏光成分を含んだ散乱光が検出されないようにすることが好適である。つまり、図７（ａ），（ｂ）に示すように、基準偏光子を光検出手段から離して設置するときの距離Ｌを、偏光子の位置から積分球／検知器の受光部位を覗いたときの立体角が１×１０^−２πｓｒ以下となるようにすることが好適である。基準偏光子をこのように光検出手段から離しておくことで、上記の散乱光が検出されない。ただし、ここで受光部位とは、光検出手段が積分球と検知器からなっている場合、積分球の入射開口のことを指す。また、検知器のみで構成されている場合、検知器自身の受光面のことを指す。
また、このとき試料の位置は、図７（ａ）に示すように光検出手段に近づけて配置しておいても、図７（ｂ）のように基準偏光子に近づけて配置しておいてもよい。図７（ａ）においては、試料からの全透過光を評価しており、図７（ｂ）においては試料からの直線透過光のみを評価している。

位相差素子の軸方位の測定方法、装置
次に試料として位相差フィルム（直線移相素子）を測定する場合の実施形態の説明を行う。図８は本発明の第２実施形態にかかる軸方位測定装置の概略構成図である。軸方位測定装置１１０は、光源１２８と分光器１３０とで構成された光照射手段１１２と、第１基準偏光子１１４ａと、試料を保持するための試料ホルダ１１６と、試料を光軸を中心軸として回転させる試料回転手段１１８ａと、第２基準偏光子１１４ｂと、第２基準偏光子１１４ｂを光軸を中心軸として回転させる偏光子回転手段１１８ｂと、積分球１３２と検知器１３４とで構成された光検出手段１２０と、各手段の制御、データの処理などを行うコンピュータ１２２とを備える。
光照射手段１１２からの光は第１基準偏光子１１４ａを通り直線偏光とされ、試料ホルダ１１６に固定された試料に照射される。試料ホルダ１１６は第１基準偏光子１１４ａと第２基準偏光子１１４ｂとの間に設置されており、試料からの透過光は第２基準偏光子１１４ｂを通り、光検出手段１２０にて検出される。ここで、光検出手段１２０は検知器１３４の受光面での位置ムラや偏光特性の影響を除くため、積分球１３２を備えることが望ましいが、必須というわけではない。また、本実施形態では、偏光子回転手段１１８ｂは第２基準偏光子１１４ｂを回転させるように構成したが、第１基準偏光子１１４ａを回転させるようにしてもよい。

試料ホルダ１１６は図２（ａ），（ｂ）で示したものと同様なものを用いればよい。また、試料フィルムにはやはり基準となる辺を定め、この辺がホルダの基準線に完全に一致するように試料をホルダに載せる（図３（ａ），（ｂ）参照）。位相差フィルムは２つの直交する中性軸（進相軸、遅相軸）を持っており、どちらか一方を上記基準辺と概ね平行にとっておくことが望ましい。
位相差フィルムの測定に先立って、偏光子回転手段１１８ｂによって第１基準偏光子１１４ａと第２基準偏光子１１４ｂとをクロスニコルの状態にしておく。つまり、試料未設置の状態では透過光の強度が最小となるように設置しておく。

その後、試料を第１基準偏光子１１４ａと第２基準偏光子１１４ｂとの間に設置し、試料回転手段１１８ａによって試料の方位を変更し、透過光強度が最小になる方位を測定する。まず、試料の一方の面を第１基準偏光子１１４ａに対向させたときの透過光強度が最小になる方位角を測定し、この表側方位角θ_＋をコンピュータ１２２内の記憶手段１３６に記憶しておく。また、試料を裏返し、試料の前記第１の基準偏光子に対向する面を他方の面にして、透過光強度が最小になる方位角を測定する。この裏側方位角θ₋も記憶手段１３６に記憶しておく。そして、コンピュータ内１２２の軸方位演算手段１２６では、表側方位角θ_＋と裏側方位角θ₋とに基いて、試料の中性軸方位を演算する。

また、本実施形態にかかる軸方位測定方法は上記のような装置を用いて試料の軸方位を測定するものである。つまり、クロスニコルに設置された第１及び第２の基準偏光子の間に、試料としての直線移相子を設置し、この試料を光軸を中心として回転させることにより、前記第１基準偏光子、試料、第２基準偏光子を透過した光の強度が最小となる方位を測定し、その結果から試料の軸方位を決定する。そして、試料の一方の面を第１基準偏光子に対向させ、透過光強度が最小になる方位角θ_＋を測定する表側測定工程と、試料を裏返し、前記試料の第１基準偏光子に対向する面を他方の面（表側測定工程のときと逆の面）にしたときの透過光強度が最小になる方位角θ₋を測定する裏側測定工程と、方位角θ_＋と方位角θ₋とを基に前記試料の中性軸方位を算出する算出工程と、を含むことを特徴とする。
以上が本実施形態の装置および方法の概略であり、以下により詳細に説明を行う。

（１）まず第１の基準偏光子と第２の基準偏光子とをクロスニコルの状態する。試料未設置の状態で、第２の基準偏光子を回転させ、透過光強度が最小になるような角度位置を決めればよい。このとき、図９（ａ）に示すように第１基準偏光子の消光軸と、第２基準偏光子の消光軸とは直交している。ここで、第１基準偏光子の消光軸方位をδとする。ただし、この消光軸方位δは未知である。
（２）表側測定工程
試料となる位相差フィルムは、図９（ｂ）に示すように、進相軸および遅相軸の互いに直交する軸を持ち、これらを合わせて中性軸と呼ぶ。また、試料の一辺を基準辺とし、この基準辺に対する中性軸の方位角を求めることが測定の目的である。ここで、試料の２つの軸のうち、一方（ここでは、基準線とのなす角が小さい方）の軸の基準線との成す角をαとする。このαが求めたい量である。
試料となる位相差フィルムは第１基準偏光子と第２基準偏光子との間に設置される。位相差フィルムの中性軸方位と第１（もしくは第２）偏光子の偏光方向が完全に一致していないと、位相差フィルムの与える位相差によって、光が再びこの系を透過するようになる。そのため、試料を光軸を中心として回転させ、透過軸強度が最小となる方位を求めることにより、試料の中性軸と第１および第２基準偏光子の消光軸とが一致する方位（表側方位角θ_＋）を測定する。試料の方位は、基準線（基準辺）の向きとして定義される。図１０（ａ）に示すように方位θ_＋は上記の角度δ、αを用いて、θ_＋＝δ−αと表せる。ここで、図１０では煩雑さを避けるため、第１基準偏光子の消光軸、試料の中性軸のうちの一方のみを示している。

（３）裏側測定工程
次に試料を裏返しにして第１および第２の基準偏光子の間に設置し、そのときの透過光強度が最小となる方位θ₋を定める。すると、試料の基準偏光子に相対向する面が表側測定工程とは逆になる。すなわち、表側測定工程で第１の基準偏光子に対向していた面が、裏側測定工程では第２の基準偏光子に対向し、表側測定工程で第２の基準偏光子に対向していた面が、裏側測定構成では第１の基準偏光子に対向することになる。言い換えると、試料への光の入射側の面を、表側測定工程と裏側測定工程で変えて測定する。図１０（ｂ）に示すように、試料を裏返したときの試料の軸は、試料の基準線に対して表側の透過軸と対称な位置関係にあるため、裏側方位角θ₋は、上記の角度δ、αを用いて、θ₋＝δ＋αと表せる。
（４）軸方位算出工程
上記表側方位角θ_＋と裏側方位角θ₋の中間位置θ_０＝（θ_＋＋θ₋）／２を計算する。上記の式よりθ_０＝δとなるため、方位θ_＋と方位θ₋の中間位置θ_０＝（θ_＋＋θ₋）／２を求めることにより、基準偏光子の軸方位δを決定することができる。また、θ_＋−θ_０＝−α、θ₋−θ_０＝αとなるから、これから試料ホルダの基準線から測った試料の軸方位αを求めることができる。

また、以上では測定対象となる試料を用いて、基準偏光子の消光軸の方位を決定したが、第１（第２）基準偏光子の軸方位の測定に際しては、基準偏光子の軸方位測定用に用意した標準試料を用いて決定してもよい。標準試料は一辺を完全に平坦にした基板に、その辺に中性軸（の一方）をおおむね一致させるように位相差フィルムを固定して構成する。この標準試料は裏返しても全く同等に使用できるように作る。この標準試料を試料ホルダに設置し、上記の工程により基準偏光子の消光軸方位を定める。つまり、標準試料に対して表側測定工程と裏側測定工程とを行い、そこで求めた方位角θ_＋、θ₋により基準偏光子の消光軸方位θ_０（＝δ）を求める。次に測定対象となる位相差フィルムに対して、試料の基準辺をホルダの基準線に正確にあわせて取り付け、同様にして透過光強度が最小となる位置（角度θ_ｏｂｓ）を求める。測定試料の軸方位と基準辺とがなす角度θは、θ＝θ_ｏｂｓ−θ_０と算出する。
以上のように試料（もしくは標準試料）を表と裏の両方から消光方位を定めるという簡単な方法により、論理的厳密さをもって、その中性軸方位を定めることができるようになった。

透過光強度の最小位置決定機構
また、図８の実施形態においても、図１の実施形態と同様に、透過光強度の最小位置を決定するための処理手段１２４を備えることが好適である。すなわち、処理手段１２４は、試料もしくは偏光子回転手段１１８ａ、１１８ｂにより試料もしくは第２基準偏光子１１４ｂを回転させて、透過光強度が略最小となる仮の方位を決定する仮方位決定部１３８と、仮方位近傍の複数の角度位置で透過光強度を測定し、測定した透過光強度をそのときの角度位置と関連付けて記憶手段１３６に記憶する仮方位近傍測定部１４０と、複数の角度位置での透過光強度を、該角度位置の二次関数でフィッティングし（図６参照）、該二次関数の頂点位置を算出する算出部１４２とを備え、算出部１４２により算出された頂点位置から透過光強度が真に最小となる方位を求める。
すなわち、偏光子回転手段１１８ｂにより第２基準偏光子１１４ｂを回転させてこれらをクロスニコルの状態にするときや、第１及び第２基準偏光子をクロスニコルの状態にして試料回転手段１１８により試料を回転させて測定を行うときに、上記の処理手段１２４によって透過光強度の最小位置を求める。

また本実施形態の方法においても、透過光強度の最小位置の決定は次のような方法で行うことが好適である。まず、透過光の強度が略最小となる角度を仮の方位とし、該仮方位近傍の複数の角度位置における透過光強度を測定する。次に求めた複数の角度位置での透過光強度を角度位置の２次関数としてフィッティング（図６参照）し、該二次関数の頂点座標を算出する。この頂点座標が透過光強度が最小となる正確な位置である。
このように、透過光強度の最小位置の近傍を２次関数で近似し、その２次関数の頂点の位置を算出しているため、角度送りの正確さレベル、あるいはそれ以上のレベルで、透過光強度の最小位置を定めることができる。

基準偏光子の配置位置
図１１（ａ），（ｂ）に示すように、第２の実施形態においても第１基準偏光子を光検出手段から離して設置することが好適である。具体的には、第１基準偏光子１１４ａと光検出手段１２０との距離Ｌを、第１基準偏光子１１４ａの位置から光検出手段１２０の受光部位を覗いたときの立体角が少なくとも１×１０^−２πｓｒ以下となるようにとることが好適である。第１基準偏光子１１４ａをこのように光検出手段１２０から離しておくことで、偏光子の傷や付着したゴミによる散乱光が検出されない。このとき第２基準偏光子１１４ｂは図１１（ａ）に示すように光検出手段に近づけて配置しておいても、図１１（ｂ）のように第１基準偏光子１１４ｂに近づけて配置しておいてもよい。また、試料の位置は特に限定されない。ただし、ここで光検出手段の受光部位とは、光検出手段が積分球と検知器からなっている場合、積分球の入射開口のことを指す。また、検知器のみで構成されている場合、検知器自身の受光面のことを指す。

本発明にかかる第１の実施形態の軸方位測定装置の概略構成図 本実施形態にかかる試料ホルダの一例 試料ホルダに試料を設置したときの説明図 基準偏光子の消光軸方位、基準辺に対する試料の透過軸方位を示す図 本発明にかかる第１実施形態の軸方位測定方法の説明図 透過光強度の最小角度位置を求める方法の説明図 第１実施形態における基準偏光子の配置位置を示す説明図 本発明の第２の実施形態の軸方位測定装置の概略構成図 第２の実施形態における第１（第２）基準偏光子の消光軸、基準辺に対する試料の中性軸方位を示す図 第２実施形態にかかる軸方位測定方法の説明図 第２実施形態における第１（第２）基準偏光子の配置位置を示す説明図

符号の説明

１０ 軸方位測定装置
１２ 光照射手段
１４ 基準偏光子
１６ 試料ホルダ
１８ 試料回転手段
２０ 光検出手段
２２ コンピュータ
２４ 処理手段
２６ 軸方位演算手段

Claims (10)

1. 直線偏光素子を試料として、該試料の透過軸方位を決定する軸方位測定装置において、
   光照射手段と、
   該光照射手段からの光を直線偏光として試料に照射する基準偏光子と、
   該基準偏光子に対向して設置される試料を、光軸を中心として回転し試料の方位を変更する試料回転手段と、
   前記試料を透過した光を検知する光検出手段と、
   前記試料回転手段により試料を回転させたときの透過光強度が最小になる試料の方位角に基いて、試料の透過軸方位を演算する軸方位演算手段と、を備え、
   前記軸方位演算手段は、前記試料の一方の面を前記基準偏光子に対向させたときの透過光強度が最小となる方位角θ_＋と、前記試料を裏返して試料の基準偏光子に対向する面を他方の面にしたときの透過光強度が最小になる方位角θ₋とに基いて、試料の透過軸方位を演算することを特徴とする軸方位測定装置。
2. 請求項１記載の軸方位測定装置において、
   前記演算手段は、前記基準偏光子の消光軸方位を方位角θ_＋と方位角θ₋の中間位置θ_０＝（θ_＋＋θ₋）／２として求め、該方位角θ_０を基に試料の透過軸方位を求めることを特徴とする軸方位測定装置。
3. 請求項１または２に記載の軸方位測定装置において、
   前記試料回転手段によって試料を回転し、透過光強度が最小になる試料の方位を求める処理手段を備え、該処理手段は、
   前記試料回転手段により試料を回転させて、透過光強度がおおむね最小となる仮の方位を決定する仮方位決定部と、
   前記仮方位近傍の複数の角度位置で透過光強度を測定し、測定した透過光強度をそのときの角度位置と関連付けて記憶する仮方位近傍測定部と、
   前記記憶した透過光強度を角度位置の二次関数でフィッティングし、該二次関数の頂点位置を算出する算出部とを備え、
   前記算出部により算出された頂点位置から透過光強度が真に最小となる方位を求めることを特徴とする軸方位測定装置。
4. 請求項１から３に記載の軸方位測定装置において、
   前記基準偏光子の位置から前記光検出手段の受光部位を覗いたときの立体角が１×１０^−２πｓｒ以下となるように、前記基準偏光子が光検出手段から離されて配置されていることを特徴とする軸方位測定装置。
5. 基準偏光子と、試料としての直線偏光素子とを相対向させ、前記基準偏光子に対する前記試料の方位を変更して、前記基準偏光子および前記試料を透過した光の強度が最小となる方位を測定することで、試料の透過軸方位を決定する軸方位測定方法において、
   前記試料の一方の面を基準偏光子に対向させ、透過光強度が最小になる表側方位角θ_＋を測定する表側測定工程と、
   前記試料を裏返して、試料の基準偏光子に対向する面を他方の面にしたときの透過光強度が最小になる裏側方位角θ₋を測定する裏側測定工程と、
   前記表側方位角θ_＋と前記裏側方位角θ₋とに基いて試料の透過軸方位を算出する算出工程と、を含むことを特徴とする軸方位測定方法。
6. 直線移相素子を試料として、該試料の中性軸方位を決定する軸方位測定装置において、
   光照射手段と、
   光照射手段からの光を直線偏光とし、試料に照射する第１基準偏光子と、
   第１基準偏光子に対しクロスニコルの状態で設置され、試料からの透過光を透過する第２基準偏光子と、
   前記第１および第２基準偏光子の間に設置された試料を、光軸を中心として回転し、該試料の方位を変更可能な試料回転手段と、
   第２基準偏光子を透過した光を検出する光検出手段と、
   前記試料回転手段により試料を回転させたときの透過光強度が最小になる方位角に基いて、試料の中性軸方位を演算する軸方位演算手段とを備え、
   該軸方位演算手段は前記試料の一方の面を第１基準偏光子に対向させたときの透過光強度が最小になる表側方位角θ_＋と、前記試料を裏返して前記試料の前記第１基準偏光子に対向する面を他方の面にしたときの透過光強度が最小になる裏側方位角θ₋と、に基いて、試料の中性軸方位を演算することを特徴とする軸方位測定装置。
7. 請求項６に記載の軸方位測定装置において、
   前記軸方位演算手段は、前記基準偏光子の消光軸方位を、表側方位角θ_＋と裏側方位角θ₋の中間位置θ_０＝（θ_＋＋θ₋）／２として求め、該方位θ_０を基に試料の中性軸方位を求めることを特徴とする軸方位測定装置。
8. 請求項６または７に記載の軸方位測定装置において、
   前記試料回転手段によって試料を回転し、透過光強度が最小になる試料の方位を求める処理手段を備え、
   該処理手段は、前記試料回転手段により試料を回転させて、透過光強度が略最小となる仮の方位を決定する仮方位決定部と、
   前記仮方位近傍の複数の角度位置で透過光強度を測定し、測定した透過光強度をそのときの角度位置と関連付けて記憶する仮方位近傍測定部と、
   複数の角度位置での透過光強度を、該角度位置の二次関数でフィッティングし、該二次関数の頂点位置を算出する算出部とを備え、該算出部により算出された頂点位置から透過光強度が真に最小となる方位を求めることを特徴とする軸方位測定装置。
9. 請求項６から８に記載の軸方位測定装置において、
   前記第１基準偏光子の位置から前記光検出手段の受光部位を覗いたときの立体角が１×１０^−２πｓｒ以下となるように、前記第１基準偏光子が前記光検出手段と離されて配置されていることを特徴とする軸方位測定装置。
10. クロスニコルに設置された第１及び第２の基準偏光子の間に、試料としての直線移相子を設置し、該試料を光軸を中心として回転させることにより、前記第１および第２基準偏光子に対する前記試料の方位を変更し、前記第１基準偏光子、試料、第２基準偏光子を透過した光の強度が最小となる方位を測定することで、試料の中性軸方位を決定する軸方位測定方法において、
    前記試料の一方の面を第１基準偏光子に対向させ、透過光強度が最小になる表側方位角θ_＋を測定する表側測定工程と、
    試料を裏返し、前記試料の第１基準偏光子に対向する面を他方の面にしたときの透過光強度が最小になる裏側方位角θ₋を測定する裏側測定工程と、
    前記表側方位角θ_＋と裏側方位角θ₋とに基いて試料の中性軸方位を算出する算出工程と、を含むことを特徴とする軸方位測定方法。

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