JP5254323B2 - 光学歪み計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学的な歪みの２次元分布を測定する装置に関するものである。

光学的な異方性によってもたらされるリタデーションや光学軸を測定するには、偏光計測技術は欠かせないものである。特に液晶パネルで用いるフィルムや基板などの試料に対しては大面積を高速に計測することが求められている。なお、リタデーションは、物体の複屈折の大きさをΔｎ、厚さをＬとすると、ΔｎＬで表わされる。

試料のリタデーションを測定する場合には、試料に入射する光ビームの偏光状態と、試料を透過した後の光の偏光状態を計測する。そして、偏光状態の変化量からリタデーションや光学軸を求めることができる。偏光を計測する方法として最も一般的なものは、回転偏光子法又は回転位相子法とよばれる方法である。これは、受光素子の前方に配置した偏光子又は波長板を回転させながら、光強度のデータを取得するものである。なお、波長板を回転させる場合は、固定した偏光子を介して受光し、光強度を測定する。測定した光強度をデータ解析することにより、入射した光の偏光情報を求めることができる。ここで光の偏光情報は、たとえば、楕円率と長軸方位、あるいはストークスパラメータである。この方法は簡便ではある。しかし、この方法は、偏光子又は波長板を回転させるため駆動装置が必要であり、しかも高速に測定することはできない。さらに、この方法を用いてリタデーションの２次元分布を測定する場合には、光ビームの照射位置を２次元的に移動する必要がある。このため、従来の方法を用いてリタデーションの２次元分布など光学歪みを測定するためには、多くの時間がかかる。このため、従来の方法は、特に大面積の試料の光学歪みを測定するのには適していない。

一方、ＣＣＤやＣＭＯＳからなるエリアセンサと、微細な偏光子アレイとを組合わせた偏光の２次元分布画像を取得することができるカメラが報告されている（特許文献１、非特許文献１）。これはＣＣＤカメラのピクセルに対して、透過偏光軸が異なる微小偏光子が１つずつ配置されており、各画素の出力から偏光状態を計算するものである。このセンサーを用いることにより、リタデーションの２次元分布を簡便にしかも高速に測定することが可能になる。しかしながら、試料の広範囲を一度に測定するためには、広角の結像レンズを用いることが必須となる。そのような場合、画面の端では試料を斜めに透過する光を受光することになるため、得られるリタデーションが誤差を持ち、正確に測定することが困難であった。

国際公開WO２００４−０６８８４４号パンフレット

川嶋貴之、佐々木昌宣、井上喜彦、本間洋、佐藤尚、太田晋一、川上彰二郎、「フォトニック結晶を用いた偏光イメージングカメラの作製と応用」、第３２回光学シンポジウム、講演番号３、ｐｐ．７−８、２００７年７月５日．

本発明が解決する課題は、広範囲なリタデーションの２次元分布を測定することができる光学歪み測定装置を提供することにある。

本発明の第１の側面は、光学系と、偏光測定モジュールと、解析装置とを具備した光学歪み測定装置に関する。そして、光学系は、円偏光、楕円偏光、又は直線偏光の光を放射できる。偏光測定モジュールは、偏光子アレイと、エリアセンサとを含む。偏光子アレイは、１次元的又は２次元的に繰り返し配置された複数の単位ユニットを含む。偏光子アレイは、光学系から放射された光を透過する。また、偏光子アレイは、光学系から放射され、測定試料を透過した光を透過する。そして、偏光子アレイに含まれる、それぞれの単位ユニットは、透過偏光軸の方向が異なる少なくとも３種類の偏光子を含む。エリアセンサは、偏光子アレイの各偏光子を通過した光を独立に受光し、受光した光の強度を測定できる。

解析装置は、偏光測定モジュールから送信される測定情報を受信できる。また、解析装置は、第１の偏光情報算出手段と、第２の偏光情報算出手段と、偏光の変化量算出手段と、光学歪み演算手段とを有する。そして、第１の偏光情報算出手段は、偏光測定モジュールから受信した光学系の光の情報から前記光学系の光の偏光状態に関する情報を求める。前記光学系の光の情報は、光学系から放射された光であって前記測定対象を透過しないものに関する情報である。光学系の光の情報の例は、以下、本明細書にて説明するＰ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４である。そして、光学系の光の偏光状態に関する情報の例は、Ｓ_１及びＳ_２である。

そして、第２の偏光情報算出手段は、前記偏光測定モジュールから受信した測定試料を透過した光の情報から、前記測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報を求める。前記「測定試料の光の情報」は、前記光学系から放射された光であって前記測定対象を透過したものに関する情報である。測定試料を透過した光の情報の例は、Ｐ_１’、Ｐ_２’、Ｐ_３’、及びＰ_４’である。また、「測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報」の例は、Ｓ_１’及びＳ_２’である。

偏光の変化量算出手段は、前記光学系の光の偏光状態に関する情報と、前記測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報とから、前記偏光測定モジュールの単位ユニット毎に偏光の変化量を求める。単位ユニット毎の「偏光の変化量」の例は、Ｓ_１’−Ｓ_１及びＳ_２’−Ｓ_２である。

光学歪み演算手段は、前記偏光の変化量算出手段が求めた単位ユニット毎の偏光の変化量を用いて単位ユニット毎に測定試料のリタデーションと光軸方向に関する情報を求める。リタデーションρと光軸方向θとは、後述するように単位ユニット毎の「偏光の変化量」を用いて所定の演算を行うことで求めることができる。光学歪み演算手段は、その演算を行うことができる手段である。

第1の側面に係る光学歪み測定装置の好ましい態様は、偏光子アレイがフォトニック結晶からなるものである。フォトニック結晶として、特に自己クローニングフォトニック結晶が好ましい。すなわち、自己クローニングフォトニック法を用いることで、特殊な形状を有する基板を用いて、偏光子アレイをひとつの結晶状のものとして得ることができる。

第1の側面に係る光学歪み測定装置の好ましい態様は、先に説明した解析装置が、さらに前記エリアセンサが連続して撮影したある偏光子を経由した光の強度に関する信号を平均化する偏光強度平均化手段を有する。そして、偏光強度平均化手段により平均化された強度を用いて、前記ユニットごとの偏光状態に関する情報を求める。たとえば、Ｐ_１を複数回測定し、これを平均化した値をＰ_１として用い、所定の演算を行う。この態様は、先に説明したあらゆる態様の装置と組合わせて用いることができる。

第1の側面に係る光学歪み測定装置の好ましい態様は、先に説明した解析装置が、さらに隣接するユニットにおける偏光状態に関する情報を平均化する偏光状態平均化手段を有する。そして、偏光状態平均化手段により平均化された偏光状態に関する情報を用いて、リタデーションと光軸方向に関する情報を求める。たとえば、隣接する２つのユニットにおけるＳ_１の値を合算し、この平均をＳ_１として用いて、所定の演算を行う。この態様は、先に説明したあらゆる態様の装置と組合わせて用いることができる。

第1の側面に係る光学歪み測定装置の好ましい態様は、先に説明した解析装置が、さらに、振幅比変化を記憶する振幅比変化記憶手段と、光の偏光状態に関する情報を補正する光の偏光状態補正手段とを有する。ここで、振幅比変化は、前記光学系からの光による電界のｘ成分とｙ成分の比が前記測定対象を介することで変化した割合を意味する。振幅比変化は、後述する「ｘ」で表される。例えば、「ｘ」の値を用いて、Ｓ_１を補正する。そして、この補正されたＳ_１を用いて、所定の演算を行う。この態様は、先に説明したあらゆる態様の装置と組合わせて用いることができる。

第1の側面に係る光学歪み測定装置の好ましい態様は、先に説明した解析装置が、さらに、入射角補正手段を有する。そして、この態様では、振幅比変化は、入射角及び屈折角の関数で表される。例えば、後述する「ｘ」が入射角θ_０、試料の中の屈折角θ_１の関数で表される。そして、あるユニットの視野中心からの距離、全視野の画素数、及び画角に関する情報を用いて、前記入射角θ_０を補正する。そして、前記補正した入射角θ_０に関する情報を用いて前記振幅比変化を補正する。そして、前記補正した振幅比変化を用いて、測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報を補正する。そして、補正した光の偏光状態に関する情報を用いて所定の演算を行う。この態様は、先に説明したあらゆる態様の装置と組合わせて用いることができる。

本発明の第２の側面は、光学系と、偏光測定モジュールと、解析装置を具備した光学歪み測定装置に関する。そして、光学系は、円偏光、楕円偏光、又は直線偏光の光を放射できる。また、偏光測定モジュールは、波長板アレイと、偏光子と、エリアセンサとをこの順で有する。すなわち、光学系からの光が、波長板アレイを透過した後、偏光子を透過し、その後エリアセンサに受光される。

波長板アレイは、１次元又は２次元的に繰り返し配置された単位ユニットを有する。波長板アレイは、前記光学系から放射された光を透過する。また、波長板アレイは前記光学系から放射され、前記測定試料を透過した光を透過する。波長板アレイに含まれる単位ユニットは、進相軸の方向が異なる少なくとも４種類の波長板を含む。偏光子は、一方向の透過偏光軸を有し、前記波長板アレイを透過した光を透過させる。エリアセンサは、前記波長板アレイに含まれる各波長板を通過した光であって、前記偏光子を透過したものを独立に受光し、受光した光の強度を測定できる。

本発明の第２の側面に係る光学歪み測定装置において、解析装置の構成や、好ましい態様は、第１の側面と同様である。このため、繰り返しを避けるため、記載を引用することとして記載を省略する。

本発明の光学歪み測定装置は、透明で光学異方性のある試料のリタデーションあるいは光学軸の２次元分布を広範囲に一括して測定できる。本発明の光学歪み測定装置は液晶パネル用ガラスやフィルムを始め、大面積の光学部品の検査工程など用途は広い。このため、本発明は、新しい検査技術を提供できる。

図１は、本発明の光学歪み測定装置の構造例を示すブロック図である。 図２は、フォトニック結晶偏光子を示す図である。図２Ａは、基板を示し、図２Ｂはフォトニック結晶偏光子を示す。 図３は、本発明の偏光子アレイのパタンの１例を示す図である。 図４は、波長板アレイ、偏光子、及びエリアセンサの構成例を示す図である。 図５は、入射角と斜め入射による誤差の関係を示すグラフである。 図６は、実際に測定したリタデーションと、測定ユニット内の画素数Ｎと画像の枚数Ｆの関係をプロットしたグラフである。 図７は、本発明の実施例における光学歪み測定装置を示す図である。 図８は、リタデーション分布を示す写真である。図８Ａは補正前のリタデーション分布を表す写真である。図８Ｂは補正後のリタデーション分布を示す写真である。

図１は、本発明の光学歪み測定装置の構造例を示すブロック図である。図１の例では、偏光子アレイ１０１が受光素子アレイであるＣＣＤエリアセンサ１０２と貼り合わされている。エリアセンサは、電子回路部に接続され、カメラ１０３からの出力信号が、図示しない解析装置に送信される。面状の光源１０４から照射された光は、円偏光フィルム１０５を通してほぼ円偏光状態となり、試料１０７を透過する。この光源及び円偏光フィルムからなる光学系により円偏光を有する光を放射できる。なお、光学系は、光源又は偏光フィルムを替えることで、楕円偏光、又は直線偏光の光を放射できる。試料を透過した光は結像レンズ１０６を通して試料の像をエリアセンサ上に結像する。また、試料が存在しない場合は、光学系からの光が直接結像レンズに入射してもよい。

偏光子アレイは、１次元的又は２次元的に繰り返し配置された複数の単位ユニットを含む。偏光子アレイは、光学系から放射された光を透過する。また、偏光子アレイは、光学系から放射され、測定試料を透過した光を透過する。偏光子アレイとして、例えば、特許３４８６３３４号公報に記載されているフォトニック結晶からなる偏光子を用いることができる。フォトニック結晶の作製方法は、例えば、特許３３２５８２５号公報に記載されている方法を用いることができる。図２は、フォトニック結晶偏光子を示す図である。図２Ａは、基板を示し、図２Ｂはフォトニック結晶偏光子を示す。図２Ａに示されるような周期的な溝列を形成した透明材料基板２０１上に、図２Ｂに示されるような透明で高屈折率の媒質２０２と低屈折率の媒質２０３とを界面の形状を保存しながら、交互に積層する。この図では溝方向が９０°異なる２つの領域が一体形成された構造を示している。ここで媒質２０２と２０３の層の厚さと、基板の周期を選ぶことで、特定の波長で偏光子として動作させることができる。即ち、溝に平行な偏光を遮断し、溝に垂直な偏光を透過させることができる。予め溝の方向を変えて凹凸パタンを形成しておくことで、透過軸の異なる偏光子アレイを一括形成することが可能になる。

図３は、本発明の偏光子アレイのパタンの１例を示す図である。図中の矢印は透過偏光軸の方向を示す。図３に示す例では透過偏光軸が、０度、４５度、９０度、及び１３５度と４種類の偏光子アレイ３０１が示されている。図中符号３０２は、エリアセンサを示す。また、図３に示す例では透過偏光軸の大きさが、エリアセンサ―の画素の大きさと一致する。このような微小偏光子がＸ方向とＹ方向に繰り返し配置されている。この４つの微小偏光子が偏光計測の１ユニットになる。以降は偏光子アレイ３０１を用いて説明するが、次に示す波長板アレイを使用しても同様の偏光計測が可能である。

即ち特許３３２５８２５号公報に示すように、フォトニック結晶構造体で波長板を構成することも可能である。基板上に形成する溝列の周期と膜厚を適切に選ぶことで波長板を実現することができる（特開２００１−５１１２２号公報）。従って、溝列の方向を変えて凹凸パタンを形成することで、光学軸の異なる波長板アレイを一括形成できる。波長板アレイは、１次元又は２次元的に繰り返し配置された単位ユニットを有する。そして、波長板アレイは、光学系から放射された光を透過する。また、波長板アレイは、光学系から放射され、測定試料を透過した光を透過する。位ユニットは、進相軸の方向が異なる少なくとも４種類の波長板を含む。図４は、波長板アレイ、偏光子、及びエリアセンサの構成例を示す図である。図４に示される例では、波長板アレイ４０１の進相軸は、矢印で示されるように４つの異なる方向をもつ。図４に示される例では、波長板アレイとエリアセンサ３０２の間に、均一な透過偏光軸を有する偏光子４０２が配置されている。波長板アレイの軸方向は、偏光子４０２の透過軸に対して例えば±１５°、±５０°に設定される。また、各波長板の位相差は、例えば１３０°に設定される。

偏光測定モジュールは、偏光子アレイと、エリアセンサを含む。エリアセンサは、偏光子アレイの各偏光子を通過した光を独立に受光し、受光した光の強度を測定できる。なお、光学歪み測定装置が、波長板アレイを含む場合は、偏光測定モジュールは、波長板アレイと、偏光子と、エリアセンサとを含む。そして、エリアセンサは、各波長板を通過した光であって、偏光子を透過したものを独立に受光し、受光した光の強度を測定できる。エリアセンサとして、ＣＣＤエリアセンサがあげられる。

解析装置は、偏光測定モジュールから送信される測定情報を受信する。解析装置は、第１の偏光情報算出手段と、第２の偏光情報算出手段と、偏光の変化量算出手段と、光学歪み演算手段とを有する。なお、解析装置は、入出力部、制御部、演算部及び記憶部を有しており、それぞれの要素はバスなどで接続されている。また、演算部には所定の演算を行うための回路が設けられている。また、記憶部に所定の演算を行うための制御プログラムが記憶されていてもよい。そして，入力部から所定の情報が入力された場合、制御部は、制御プログラムを読み出す。そして、制御プログラムの指令に従い、記憶部に記憶された必要な情報を読み出す。そして、入力された情報や読み出された情報を用いて、制御プログラムの指令に従って、演算部が所定の演算を行う。演算部が行う演算は、例えば、後述する内容を実現するものである。

第１の偏光情報算出手段は、偏光測定モジュールから受信した光学系の光の情報から前記光学系の光の偏光状態に関する情報を求める手段である。各偏光子又は各波長板の光強度から光の偏光状態を求める。具体的には、異なる偏光軸を有する偏光子を経由した光の強度（Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、及びＰ_４）を求める。偏光状態に関する情報として、ストークスパラメータ（Ｓ_１及びＳ_２）があげられる。エリアセンサにより取得された複数の画像を平均化した画像から、ユニット毎の偏光状態を求めるものが好ましい。すなわち、ある偏光子を経由した強度に関する信号を複数測定し、その平均値をある偏光状態における強度とする。ここで、「光学系の光の情報」とは、光学系から放射された光であって測定対象を透過しないものに関する情報である。第１の偏光情報算出手段は、偏光測定モジュールから受信した光学系の光の情報を一時的に記憶し、所定の制御プログラムの指令に基づいて、光学系の光の偏光状態に関する情報を求める演算を行えばよい。

第２の偏光情報算出手段は、偏光測定モジュールから受信した測定試料を透過した光の情報から、測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報を求める手段である。具体的には、異なる偏光軸を有する偏光子を経由した光の強度（Ｐ_１’、Ｐ_２’、Ｐ_３’、及びＰ_４’）を求める。偏光状態に関する情報として、ストークスパラメータ（Ｓ_１’及びＳ_２’）があげられる。「測定試料の光の情報」は、光学系から放射された光であって測定対象を透過したものに関する情報を意味する。すなわち、第２の偏光情報算出手段は、偏光測定モジュールから受信した測定試料を透過した光の情報を一時的に記憶し、所定の演算プログラムの指令に基づいて、測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報を求める演算を行えばよい。

偏光の変化量算出手段は、光学系の光の偏光状態に関する情報と、測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報とから、偏光測定モジュールの単位ユニット毎に偏光の変化量を求める手段である。この偏光の変化量は、たとえばＳ_１’−Ｓ_１及びＳ_２’−Ｓ_２で表される。偏光の変化量算出手段は、一時的に記憶された光学系の光の偏光状態に関する情報と、測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報とを読み出す。そして、制御プログラムの指令を受けて、偏光の変化量を求める演算を行えばよい。すなわち、偏光の変化量算出手段は、光学系の光の偏光状態に関する情報と、測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報とから、偏光測定モジュールの単位ユニット毎に偏光の変化量を求める。

光学歪み演算手段は、偏光の変化量算出手段が求めた単位ユニット毎の偏光の変化量を用いて単位ユニット毎に測定試料のリタデーションと光軸方向に関する情報を求める手段である。光学歪み演算手段は、制御プログラムの指令に従って、一時的に記憶された偏光の変化量算出手段が求めた単位ユニット毎の偏光の変化量を読み出して、リタデーションと光軸方向に関する情報を求める演算処理を行えばよい。すなわち、光学歪み演算手段は、偏光の変化量算出手段が求めた単位ユニット毎の偏光の変化量を用いて単位ユニット毎に測定試料のリタデーションと光軸方向に関する情報を求める。

解析装置の好ましい態様は、エリアセンサにより取得された複数の画像を平均化した画像からユニット毎の偏光状態を求める偏光演算手段をさらに有するものである。また、別の好ましい態様は、隣り合う複数の偏光計測ユニットに対して算出されたストークスパラメータを平均化して得られた偏光状態を求める偏光演算手段をさらに有するものである。そして、この好ましい解析装置は、偏光演算手段が求めた偏光状態に関する情報を用いて、リタデーションと光軸方向を求める。具体的な演算内容は、後述するとおりである。

解析装置の好ましい別の態様は、測定試料は平板状の際に用いられる。そして、平板状の測定試料を通過した光の偏光状態をユニット毎に計測する際に、ユニット毎に算出した試料に対する入射角度を基に、試料表面における反射率の偏光依存性を補正する補正手段を有する。具体的な演算内容は、後述するとおりである。

次に各演算内容とともに、リタデーションと光軸方向を求める手順を示す。試料のリタデーションを計測する前段階として、試料のない状態で画像を取得する。そして、光源のもつ偏光状態の分布を計測する。続いて測定する試料を設置し、同様に画像を取得し、偏光状態の分布を計測する。これらの２つの偏光状態の２次元分布データから試料におけるリタデーションと光軸方向を計算する。

例えば、あるユニットにおける初期状態の偏光状態をＳ_１、Ｓ_２、試料設置後の偏光状態をＳ_１´、Ｓ_２´とする。すると、リタデーションρと光軸方向θは次式で表わされる。なお、ＣＣＤで実測される強度とストークスパラメータ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_１’及びＳ_２’）との関係は、たとえば以下のとおりである。偏光子の角度が０°、４５°、９０°、１３５°である場合、それらを透過して受光される強度がＰ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、及びＰ_４とする。この場合、Ｓ_１＝（Ｐ_１−Ｐ_３）／（Ｐ_１＋Ｐ_３）とし、Ｓ_２＝（Ｐ_２−Ｐ_４）／（Ｐ_２＋Ｐ４）とすればよい。’Ｓ_１’及びＳ_２’も同様に求めることができる。なお、次式は、ρが小さい場合の近似式である。

なお、上記式において、Ｓ_３は、Ｓ_１ ^２＋Ｓ_２ ^２＋Ｓ_３ ^２＝１の関係を満たす数である。

上記の式で表されるとおり、本発明では、ユニット毎の偏光の変化量（Ｓ_１’−Ｓ_１及びＳ_２’−Ｓ_２）を用いてユニット毎に測定試料のリタデーションと光軸方向に関する情報を求めることができる。具体的には、Ｓ_１の変化量をＳ_２の変化量で割った値を求め、記憶する。この記憶した値を用い、たとえば、ｔａｎ２θテーブルを参照することで、光軸方向θを得ることができる。

次に、ポアンカレ球に関するテーブルを参照することによりをＳ_３求める。また、Ｓ_１ ^２及びＳ_２ ^２を求めその後、差分回路で１−Ｓ_１ ^２を求め、その後１−Ｓ_１ ^２−Ｓ_２ ^２を求め、平方根テーブルを参照してＳ_３を求めてもよい。また、演算を行うソフトウェアを用いてＳ_３を求めてもよい。三角関数テーブルを参照してｔａｎ２θの値からｓｉｎ２θを求める。そして、乗算回路でＳ_３ｓｉｎ２θを求める。逆数テーブルで１／Ｓ_３ｓｉｎ２θを求める。その後、乗算回路で（Ｓ_１’−Ｓ_１）／Ｓ_３ｓｉｎ２θを求める。三角関数テーブルを参照して、リタデーションρを求める。なお、リタデーションρを求める演算は、ソフトウェアを用いて行ってもよい。このように、本発明によれば、リタデーションρ及び光軸方向θを求めることができ、これにより測定対象の光学歪みを測定できる。

本発明の好ましい態様は、ある偏光子を介して測定される光の強度に関する信号を複数個集め、これらを平均化するものである。これにより、測定精度を向上させることができる。ユニットごとにＰ_１〜Ｐ_ｍ（Ｐ_１’〜Ｐ_ｍ’）をｎ回測定し、測定値を記憶する。そして、ｎ回分の測定値をそれぞれ合計する。合計した値をサンプル数のｎで割る。このようにして、平均化した強度情報（すなわち、画像）を求めることができる。たとえば、Ｐ_１を連続して４回観測する。そして、４つのＰ_１をあわせたものをサンプル数である４で割る。Ｐ_２〜Ｐ_４も同様にして平均化したものを求める。そして、たとえば先に説明したストークスパラメータと各偏光強度との関係から、ストークスパラメータを求めることができる。このようにして、複数の画像を平均化した画像から、ユニットごとのストークスパラメータを求めることができる。このように複数の画像を平均化した画像を用いて偏光状態を求めることでＰ_１〜Ｐ_４の測定精度をあげることができる。これにより，得られるストークスパラメータの精度を向上させることができる。

さらに、隣り合う複数のユニットに対して算出されたストークスパラメータを平均化する。すなわち、ユニットごとにＰ_１〜Ｐ_４（及びＰ_１’〜Ｐ_４’）が求められ、この値に基づいて、ユニットごとにストークスパラメータ（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_１’及びＳ_２’）が求められる。この際、隣接する２〜１６個のユニットにおけるストークスパラメータをそれぞれ平均化する。平均化するユニットの数は、２個、４個又は８個でもよい。このようにしてストークスパラメータの精度を向上させることができる。たとえば、隣接する２つのユニットに関してストークスパラメータを平均化する場合について説明する。まず、先に説明したとおり、ユニットごとのストークスパラメータを求める。これを（Ｓ_１１、Ｓ_２１、Ｓ_１１’及びＳ_２１’）及び（Ｓ_１２、Ｓ_２２、Ｓ_１２’及びＳ_２２’）とする。平均化したストークスパラメータは、たとえば、（Ｓ_１１＋Ｓ_１２）／２というものである。

このように修正したストークスパラメータを用い、先に説明した式からリタデーションと光軸方向を求めるものは、本発明の好ましい態様である。

ところで、測定できる試料の大きさは画面の視野の広さで決まる。そして、視野の範囲は、レンズの画角と、カメラと試料の間の距離に依存する。カメラと試料の間の距離は、通常考えられる測定装置や製造工程に組み込む場合でもせいぜい数十ｃｍ〜２ｍ程度である。一方試料は液晶パネルの大型化に伴い２ｍ〜３ｍと大きい。このため、レンズの画角を広げるように選ぶことが必然となる。

広範囲を視野に入れることのできる結像レンズを用いる場合、画面の端になるほど受光する光は、試料に対して斜めに通過していることになる。この際に問題になるのは、透明平板を透過する光の透過率は偏光依存特性をもつことである。即ち、P 波（入射面に平行な偏光）の反射率は、S波（入射面に垂直な偏光）の反射率に比べて小さい。このため、透過率は逆にP波の方が大きい。この偏光依存性は試料のリタデーションに起因するものではないため、リタデーションや光学軸を算出するためにはこの現象によって誤差が発生することになる。図５は、入射角と斜め入射による誤差の関係を示すグラフである。従ってこの影響を補正することが好ましいといえる。

試料を設置した後に計測される偏光状態は、試料の表面反射によって生じる偏光特性を含んだものである。屈折率ｎ_０の媒質から屈折率ｎ_１の試料への入射角をθ_０、試料の中の屈折角をθ_１とする。Ｐ波、及びＳ波の振幅透過率をそれぞれｔ_ｐ及びｔ_ｓとすると、ｔ_ｐ及びｔ_ｓは次式で表わされる。

即ち、ｘ方向とｙ方向の位相差を問わず振幅比が（ｔ_ｓ／ｔ_ｐ）だけ変化することになる。実際には試料の両面の反射を考慮する必要がある。このため、振幅比変化ｘは、（ｔ_ｓ／ｔ_ｐ）^２と見なせる。電界のｘ成分とｙ成分の比をＡ、電界のｘ成分とｙ成分の位相差をδとすると、ある楕円偏光状態を表すストークスパラメータは次式となる。

入射角がθ_０のときに、振幅比がＡからＡｘ（ｘが前述の振幅比変化を表す）に変わったときストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２は次のように変化する。

試料のリタデーションを計測する際には、式１におけるＳ_１´、Ｓ_２´として、式４で補正した値を用いることが好ましいといえる。すなわち、振幅比変化を用いて、測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報を補正する。具体的には、振幅比変化及び求めたＳ_１´、Ｓ_２´を用いて上記の式４にしたがってＳ_１´、及びＳ_２´を補正すればよい。なお、「振幅比変化」とは、光学系からの光による電界のｘ成分とｙ成分の比が測定対象を介することで変化した割合を意味する。

特定のレンズをカメラに設置すると画角が決定する。画面内のある点において、視野の中心からの距離が決まれば試料に対する入射角θ_０が求まる。従って前記の入射角による補正値を求めることができ、各点における補正を行うことができる。

微小偏光子の大きさは、エリアセンサの画素サイズと一致させた場合で説明してきた。しかしながら、本発明はエリアセンサの画素サイズと偏光子（又は波長板）とが一対一に対応するものに限られない。一対一対応の場合は、例えば画素の周期が５ミクロン、素子数を１３６０×１０２４のエリアセンサを使用するとき、偏光計測ユニット数は６８０×５１２となる。しかしながら、微小偏光子の大きさは受光素子のサイズと必ずしも一致させる必要はない。例えば縦横の大きさを画素サイズの整数倍に設定することもできる。この場合、偏光計測ユニット数は少なくなり、空間分解能は小さくなるが、同一の微小偏光子を透過した複数の画素で受光した強度に関する信号を平均化することにより、受光強度のノイズを低減することができる。即ち、偏光パラメータであるＳパラメータの測定値のばらつきを抑えることが可能になる。これはリタデーションのばらつきを抑えることと同等である。複数の偏光計測ユニットから求めた偏光状態の値を更に平均化することでも同様の効果がある。あるいは、複数の画像を繰り返し撮影し、同じ画素の受光強度を平均化してもよい。これらの様々な平均化の条件と、得られるリタデーションＲｅの測定値ゆらぎの標準偏差σ（Ｒｅ）との間の関係を統計的に解析することは状況がきわめて複雑であるため容易でない。発明者らは実測を繰り返し、帰納的に次式の関係を得た。

ここでＱは受光素子平均電荷量、λは光の波長、Ｎは１ユニットとして用いる画素の数、Ｆは時間平均するフレーム数（枚数）である。もしλ＝５４０ｎｍ、Ｑ＝５０００とすると式５は次式となる。

例えばＮ＝４００、Ｆ＝５０とすると、σ（Ｒｅ）＝０．０１ｎｍとなる。これはリタデーションの小さい液晶パネル用ガラスのリタデーションを計測する際に要求される値を実現できることを示している。

図６は、実際に測定したリタデーションと、測定ユニット内の画素数Ｎと画像の枚数Ｆの関係をプロットしたグラフである。図６に示されるグラフは、式６で示される理論式と一致することがわかる。すなわち、図６から、リタデーションの繰り返し再現性があることが示される。測定対象によって要求される標準偏差、測定時間、空間分解能から最適なＮおよびＦを決定することが可能である。すなわち、本発明ではリタデーションの標準偏差、測定時間、及び空間分解に関する情報を用いて、１ユニットとして用いる画素の数N、時間平均するフレーム数Ｆを求めることができる。

図７は、本発明の実施例における光学歪み測定装置を示す図である。エリアセンサ１０２は、画素数１０００×１０００のモノクロＣＣＤセンサーである。符号１０１はフォトニック結晶からなる偏光子アレイであり、各偏光子の透過軸は４５°ずつ異なる４種類が１ユニットとなっている。符合１０３は、カメラモジュールを示す。すなわち、本発明の光学歪み測定装置は、カメラ内に含まれていてもよい。

レンズ１０６には焦点距離９ｍｍの固定焦点レンズを用いている。ＣＣＤセンサーのサイズは１／２インチであり、画角は３８°（視野の端から端に対応する）である。したがって視野の端では１９°の角度で試料を透過する光を受光していることになる。光源１０４には蛍光灯を用いており、拡散板が配置され強度分布が均一化されている。さらに円偏光フィルム１０５を設置して、ほぼ円偏光の光源を構成する。

カメラはフレーム５０１に取り付けられており、上下に移動することができる。試料１０７の大きさに応じてカメラを移動し、適切な視野サイズで試料を測定することができる。ここでは試料の大きさが２００×２００ｍｍであり、カメラと試料の間隔は５８０ｍｍであった。あるユニットの視野中心からの距離をｐピクセル、全視野の画素数を２Ｎ、画角を２θｇとすると、対応する試料上の点で光の入射角θ_０は次式から求まる。

これより各ユニットにおけるθ_０を求め、先に説明した数式２〜４で示されるストークスパラメータの補正を行ったのちにリタデーションを算出する。なお、スネルの法則から、ｓｉｎθ_１＝（ｎ_０／ｎ_１）ｓｉｎθ_０という関係がある。すなわち、本発明の好ましい態様は、あるユニットの視野中心からの距離、全視野の画素数、及び画角に関する情報を用いて、入射角を補正するものである。具体的には、あるユニットの視野中心からの距離に関する情報を記憶する。また、全視野の画素数に関する情報を記憶する。また画角に関する情報を記憶する。そして、画素数に関する情報及び前記距離に関する情報を読み出し、距離を画素数で割る。一方、画角からｔａｎθｇを求める。これらを乗算してｔａｎθ_０を求める。この値を用いて適宜テーブルを参照し、θ_０に関する値を求める。

図８は、リタデーション分布を示す写真である。図８Ａは補正前のリタデーション分布を表す写真である。図８Ｂは補正後のリタデーション分布を示す写真である。図８Ａから視野の端に見かけのリタデーションが重畳され増加していることがわかる。また、図８Ｂから、見かけのリタデーションが除去され、０．２ｎｍ以下に表示されており、ガラスが本来有するリタデーションが計測されていることがわかる。ここで実現したいリタデーションの標準偏差は０．０１ｎｍとする。これはガラスのリタデーションが０．１ｎｍ程度と小さいからである。この標準偏差を実現するために必要な偏光計測１ユニット内の画素数Ｎと平均化する画面数Ｆとは式６からＮＦ＝５０００となった。ＮとＦの組み合わせは自由であるが、例えば画素数Ｎを４００、平均化フレーム数を５０とすると、測定時間は約７秒に相当し、測定点数は１００×１００（＝１万画素）となる。実際に同一試料を繰り返し測定したところ標準偏差σ（Ｒｅ）は０．０１ｎｍが得られた。

１０１ 偏光子アレイ
１０２ 受光素子アレイ
１０３ カメラモジュール
１０４ 光源
１０５ 円偏光フィルム
１０６ 結像レンズ
１０７ 測定試料
２０１ 溝列を形成した基板
２０２ 高屈折率材料
２０３ 低屈折率材料
３０１ 偏光子アレイ
３０２ エリアセンサ
４０１ 波長板アレイ
４０２ 均一な透過偏光軸を有する偏光子
５０１ フレーム

Claims (10)

1. 光学系と、偏光測定モジュールと、解析装置とを具備した光学歪み測定装置であって、
   前記光学系は、円偏光、楕円偏光、又は直線偏光の光を放射でき、
   前記偏光測定モジュールは、偏光子アレイと、エリアセンサとを含み、
   前記偏光子アレイは、１次元的又は２次元的に繰り返し配置された複数の単位ユニットを含み、前記光学系から放射された光を透過するか、又は前記光学系から放射され、測定試料を透過した光を透過し、
   前記単位ユニットは透過偏光軸の方向が異なる少なくとも３種類の偏光子を含み、
   前記エリアセンサは、前記偏光子アレイの各偏光子を通過した光を独立に受光し、受光した光の強度を測定でき、
   前記解析装置は、前記偏光測定モジュールから送信される測定情報を受信でき、
   前記解析装置は、
   第１の偏光情報算出手段と、第２の偏光情報算出手段と、偏光の変化量算出手段と、光学歪み演算手段とを有し、
   前記第１の偏光情報算出手段は、前記偏光測定モジュールから受信した光学系の光の情報から前記光学系の光の偏光状態に関する情報を求める手段であり、
   前記光学系の光の情報は、前記光学系から放射された光であって前記測定対象を透過しないものに関する情報であり、前記第２の偏光情報算出手段は、前記偏光測定モジュールから受信した測定試料を透過した光の情報から、前記測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報を求める手段であり、
   前記測定試料の光の情報は、前記光学系から放射された光であって前記測定対象を透過したものに関する情報であり、
   前記偏光の変化量算出手段は、前記光学系の光の偏光状態に関する情報と、前記測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報とから、前記偏光測定モジュールの単位ユニット毎に偏光の変化量を求める手段であり、
   前記光学歪み演算手段は、前記偏光の変化量算出手段が求めた単位ユニット毎の偏光の変化量を用いて単位ユニット毎に測定試料のリタデーションと光軸方向に関する情報を求める手段であり、
   さらに、振幅比変化を記憶する振幅比変化記憶手段と、光の偏光状態に関する情報を補正する光の偏光状態補正手段と、を有し、
   ここで、振幅比変化は、前記光学系からの光による電界のｘ成分とｙ成分の比が前記測定対象を介することで変化した割合を意味し、
   前記光の偏光状態補正手段は、
   前記振幅比変化を用いて、測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報を補正する
   光学歪み測定装置。
2. 前記偏光子アレイは、フォトニック結晶からなる偏光子を含む、
   請求項１に記載の光学歪み計測装置。
3. 前記解析装置は、
   さらに、前記エリアセンサが連続して撮影したある偏光子を経由した光の強度に関する信号を平均化する偏光強度平均化手段を有し、
   前記偏光強度平均化手段により平均化された強度を用いて、前記ユニットごとの偏光状態に関する情報を求める、
   請求項２に記載の光学歪み測定装置。
4. 前記解析装置は、
   さらに、隣接するユニットにおける偏光状態に関する信号を平均化する偏光状態平均化手段を有し、
   前記偏光状態平均化手段により平均化された偏光状態に関する情報を用いて、リタデーションと光軸方向に関する情報を求める、
   請求項２又は請求項３に記載の光学歪み測定装置。
5. さらに、入射角補正手段を有し、
   前記振幅比変化は、入射角及び屈折角の関数で表され、
   前記あるユニットの視野中心からの距離、全視野の画素数、及び画角に関する情報を用いて、前記入射角を補正し、前記補正した入射角に関する情報を用いて前記振幅比変化を補正し、前記補正した振幅比変化を用いて、測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報を補正する
   請求項１に記載の光学歪み測定装置。
6. 光学系と、偏光測定モジュールと、解析装置を具備した光学歪み測定装置であって、
   前記光学系は、円偏光、楕円偏光、又は直線偏光の光を放射でき、
   前記偏光測定モジュールは、波長板アレイと、偏光子と、エリアセンサとをこの順で有し、
   前記波長板アレイは、１次元又は２次元的に繰り返し配置された単位ユニットを有し、
   前記光学系から放射された光を透過するか、又は前記光学系から放射され、前記測定試料を透過した光を透過し、
   前記単位ユニットは、進相軸の方向が異なる少なくとも４種類の波長板を含み、
   前記偏光子は、一方向の透過偏光軸を有し、前記波長板アレイを透過した光を透過させ、
   前記エリアセンサは、前記波長板アレイに含まれる各波長板を通過した光であって、前記偏光子を透過したものを独立に受光し、受光した光の強度を測定でき、
   前記解析装置は、前記偏光測定モジュールから送信される測定情報を受信でき、
   前記解析装置は、
   第１の偏光情報算出手段と、第２の偏光情報算出手段と、偏光の変化量算出手段と、光学歪み演算手段とを有し、
   前記第１の偏光情報算出手段は、前記偏光測定モジュールから受信した光学系の光の情報から前記光学系の光の偏光状態に関する情報を求める手段であり、
   前記光学系の光の情報は、前記光学系から放射された光であって前記測定対象を透過しないものに関する情報であり、
   前記第２の偏光情報算出手段は、前記偏光測定モジュールから受信した測定試料を透過した光の情報から、前記測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報を求める手段であり、
   前記測定試料の光の情報は、前記光学系から放射された光であって前記測定対象を透過したものに関する情報であり、
   前記偏光の変化量算出手段は、前記光学系の光の偏光状態に関する情報と、前記測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報とから、前記偏光測定モジュールの単位ユニット毎に偏光の変化量を求める手段であり、
   前記光学歪み演算手段は、前記偏光の変化量算出手段が求めた単位ユニット毎の偏光の変化量を用いて単位ユニット毎に測定試料のリタデーションと光軸方向に関する情報を求める手段であり、
   さらに、振幅比変化を記憶する振幅比変化記憶手段と、光の偏光状態に関する情報を補正する光の偏光状態補正手段とを有し、前記光の偏光状態補正手段は、前記振幅比変化を用いて、測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報を補正する
   光学歪み測定装置。
7. 前記波長板アレイは、フォトニック結晶からなる波長板を含む、
   請求項６に記載の光学歪み計測装置。
8. 前記解析装置は、
   さらに前記エリアセンサが連続して撮影したある波長板を経由した光の強度に関する信号を平均化する偏光強度平均化手段を有し、
   前記偏光強度平均化手段により平均化された強度を用いて、前記ユニットごとの偏光状態に関する情報を求める、
   請求項７に記載の光学歪み測定装置。
9. 前記解析装置は、
   さらに、隣接するユニットにおける偏光状態に関する信号を平均化する偏光状態平均化手段を有し、
   前記偏光状態平均化手段により平均化された偏光状態に関する情報を用いて、リタデーションと光軸方向に関する情報を求める、
   請求項８に記載の光学歪み測定装置。
10. 前記解析装置は、
    さらに、入射角補正手段を有し、
    前記振幅比変化は、入射角及び屈折角の関数で表され、
    前記あるユニットの視野中心からの距離、全視野の画素数、及び画角に関する情報を用いて、前記入射角を補正し、前記補正した入射角に関する情報を用いて前記振幅比変化を補正し、前記補正した振幅比変化を用いて、測定試料を透過した光の偏光状態に関する情報を補正する
    請求項８に記載の光学歪み測定装置。

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