(57)【要約】  ＬＣＤセルの試験のための方法および装置を開示する。試験中のＬＣＤ（１４、３０）を、偏光状態生成器（１０）と偏光状態分析器（１６）との間の平行移動可能なテーブル（４０）に装着することができる。試験するセル（１４、３０）上の場所ごとに、ＬＣＤセル（１４、３０）を通じて様々な既知の偏光状態（２２）が開始され、偏光状態分析器（１６）によって検出される。偏光状態を表す電気信号が、コンピュータ（１８）によって取得される。ＬＣＤセル（１４、３０）の物理的パラメータの推定値に基づいて、ＬＣＤ（１４、３０）の偏光特性のモデル（５８、６０）がコンピュータ（１８）内で作成される。モデル化された物理的なセル特性を反復法で微調整する（６０）ことによって、シミュレートされた偏光特性と測定された偏光特性との間の二乗平均差が最小化され、その時点で、ＬＣＤセルのセル厚さおよび他の物理的パラメータを推測することができる。
2008544302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験中の液晶セルの品質を示す少なくとも１つの物理的パラメータを決定するための方法であって、
Ａ）  試験中の前記液晶セル（１４、３０）の偏光特性を測定するステップと、
Ｂ）  コンピュータ処理装置（１８）において液晶セルのモデル（５８、６０）を作成するステップであって、前記モデル（５８、６０）は、１つ以上の推定された物理的パラメータを使用して、試験中の前記液晶セルをモデル化するステップと、
Ｃ）  液晶セルの前記モデル（５８、６０）の計算された偏光特性と、試験中の前記液晶セル（１４、３０）の測定された前記偏光特性との間に緊密な適合が得られるまで、前記液晶セル（１４、３０）の前記モデル（５８、６０）の前記１つ以上の推定された物理的パラメータの値を調整するステップと、
Ｄ）  試験中の前記液晶セル（１４、３０）の品質（６２、図１０、図１１）を示す値を、緊密に適合した液晶セルの前記モデル（５８、６０）に基づいて表示するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記Ａ）は、それぞれが十分に異なる配向度、楕円率および掌性を有する十分な数の様々な偏光状態（１２、２２）を送出して分析し、試験中の前記液晶セル（１４、３０）を通じてポアンカレ球（図９ｂ）の大部分を覆うようにするステップをさらに含む方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、入射角、前記入射角の方向を変更するステップ、または前記入射角と前記入射角の方向（図５）の両方を変更するステップをさらに含み、前記入射角はプレチルトを決定するために、異なる配向度、楕円率および掌性を有する前記様々な偏光状態（１２、２２）を前記液晶セルを通じて送出するものである方法。
【請求項４】
請求項２に記載の方法であって、前記十分な数の様々な偏光状態（１２、２２）を送出して分析するステップは、偏光状態生成器（１０）によって生成された一連の偏光状態を、試験中の前記液晶セル（１４、３０）に向けるステップをさらに含み、一連の偏光状態のうちのそれぞれの偏光状態は、配向度、楕円率および掌性において、前記一連の偏光状態のうちの他の偏光状態と異なる方法。
【請求項５】
請求項２に記載の方法であって、
試験中の前記液晶セルの偏光行列（５６、図８）を計算するステップであって、偏光特性を示す前記偏光行列は、試験中の前記液晶セル（１４、３０）によって変更されるようにして、前記分析された様々な偏光状態から得られるステップと、
試験中の前記液晶セルの前記コンピュータモデル（５８）の偏光特性を示す偏光行列（図８）を計算するステップと、
前記コンピュータモデルの偏光特性を示す前記偏光行列（図８）が試験中の前記液晶セル（１４、３０）の前記偏光行列に緊密に適合するまで、前記コンピュータモデル（５８）においてプレチルト、ラビング方向、セルギャップおよびねじれ角（６０）を含む前記１つ以上の推定された物理的パラメータを反復法で修正するステップと、
をさらに含む方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、試験中の前記液晶セル（１４、３０）の前記偏光行列（図８）と、前記偏光行列のそれぞれに対してリターダンス成分のみを考慮した前記コンピュータモデル（５８）の前記偏光行列とを計算するステップをさらに含む方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、
前記一連の偏光状態を、１つ以上の方向（図５）から、試験中の前記液晶セル（１４、３０）を通じて、１つ以上の入射角へ向けるステップと、
試験中の前記液晶セル（１４、３０）の前記偏光行列（図８）に極分解を実施するステップと、
前記コンピュータモデルの偏光特性を示す前記偏光行列の要素（図８）と、試験中の前記液晶セルの前記偏光特性を示す前記偏光行列の対応する要素（図８）との間の差を最小化するために、試験中の前記液晶セル（１４、３０）の前記偏光行列に対して曲線適合を実施するステップと、
をさらに含む方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法であって、前記Ｂ）は、
各層の通常の屈折率および異常な屈折率に対して既知の値を有する１軸複屈折材料の複数の均質層として、液晶セルの前記モデルの横断面を表現するステップであって、前記層の配向度およびチルトは既知の方式で変化する（図１、図２）ステップと、
前記均質層（図１、図２）の各層ごとに偏光行列（図８）を計算するステップと、
各前記複数の均質層から作成された複数の偏光行列から、液晶セルの前記モデルに対する合成偏光行列（５８）を計算するステップと、
をさらに含む方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、試験中の前記液晶セルの偏光特性を示す前記偏光行列と前記合成偏光行列とが、いつ緊密に適合するかを決定するために、前記合成偏光行列の要素と、試験中の前記液晶セル（１４、３０）の前記偏光特性から得られた前記偏光行列（図８）の要素との間の最低の二乗平均差を得るステップをさらに含む方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記最低の二乗平均差を得るためのミュラー行列（図８）または前記最低の二乗平均差を得るためのジョーンズ行列のいずれかを計算するために、十分な数の前記様々な偏光状態（１２、２２）を送出するステップをさらに含む方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、前記Ｃ）は、前記コンピュータモデルにおける前記推定された１つ以上の物理的パラメータに対応する１つ以上の数学的値を、前記緊密な適合が得られるまで反復法で変更する（６０）ステップをさらに含む方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、前記Ｄ）は、試験中の前記液晶セル（１４、３０）の物理的パラメータを表す前記１つ以上の推定された物理的パラメータの緊密に適合したものを表示する（６２、図１０、図１１）ステップをさらに含む方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法であって、
試験中の前記液晶セル（１４、３０）の前記少なくとも１つの推定された物理的パラメータのいずれを測定するべきか選択することを可能にするステップと、
液晶セル（５８、６０）の前記モデルにおける前記少なくとも１つの推定された物理的パラメータのうちの１つを、事前に一定に保持するステップと、
をさらに含む方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法であって、
試験中の前記液晶セル（１４、３０）上にある１つ以上の選択された場所のうち選択されたものを測定すること、または、試験中の前記液晶セル（１４、３０）上にある所定のＸＹ座標のマップを使用した自動測定で測定することを可能にするステップをさらに含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願の相互参照〕
本願は、本出願人の係属中の出願である２００５年６月１０日に出願された米国出願番号第１１／１５０，３６３号の一部継続出願であり、その米国出願番号第１１／１５０，３６３号は、本出願人の係属中の出願であり、２００４年１１月２６日に出願され、そのすべてが本願に援用される特許出願番号第１０／９９８，０８４号の一部継続出願である。また、本出願人の２００３年１１月２６日に出願され、そのすべてが本願に援用される仮出願番号６０／５２５，４０７号の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、液晶セルのパラメータを測定するための装置および技法に関し、具体的には、液晶層の厚さ（セルギャップ）と、液晶分子が液晶層の厚さ全体にわたって受けるねじれ角と、液晶層とセルのガラス面との間の境界面における液晶分子の配向度（ラビング方向）と、液晶分子に隣接するガラスパネル面との間のチルト角（プレチルト）とを測定するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、密封された液晶の薄層を間に有する２枚のガラスパネルで構成されており、このようなアセンブリは当技術分野において「スタック」として知られている。そして、偏光膜がスタックの両面に装着されている。スタックのガラスパネルの一方の上にある透明電極が電圧を受け、結果として生じた電界が、液晶材料に隣接する液晶分子に印加され、その分子がその配向度を変化させる。この液晶分子の配向度の変化は、電極間のスタックの容積内で生じる。数字式時計ディスプレイ内などのように、電極が比較的大きい場合には、対応する比較的大きな体積の液晶材料が作用を受ける。テレビスクリーンやコンピュータディスプレイのピクセル内などのように、電極がごく小さい場合には、各電極ごとに作用する液晶材料の体積も、それに応じてごく小さいものとなる。液晶分子は、本質的に複屈折性を有しているため、液晶分子の配向度を各ピクセルにおいて電気的に調整することによって、スタックの各側における偏光スクリーンを通過する光の量を、それらのピクセルにおいて制御することが可能となる。当技術分野において周知であるが、ＬＣＤテレビおよびコンピュータスクリーンの基礎をなすものは、ピクセルを形成する多くのごく小さな透明電極の配列であり、それぞれのピクセルは各電極に印加される電圧レベルを変化させることによって調整される光透過特性を有しており、この光透過特性は電気的に調整可能である。大きなコンピュータディスプレイまたはテレビの場合に、ＬＣＤスクリーン内のピクセルの個数は、数百万個に達することもある。
【０００４】
種々様々なＬＣＤ設計が存在する。図１を参照すると、設計者は、ラビング方向を選択することができるが、そのラビング方向は第１のガラス面に対して静止しているとき、すなわち各電極に対して電圧が印加されていないときに、液晶分子のダイレクタまたは分子軸が配向する方向である。第２のガラス面のラビング方向を適切に選択することにより、ねじれ角Φを制御することができる。図２を参照すると、液晶材料が充填されたガラスパネル間の間隔であるセルギャップｄと、プレチルト角Θもまた制御することができるが、このプレチルトとは、液晶ダイレクタとガラス面との間の角度である。これらのセルパラメータを選択することに加えて、設計者はセルの外面に装着される偏光子の配向度、ならびに、液晶セルと偏光子との間に配置される複屈折フィルムを選択する。
【０００５】
一例として、一般的なＬＣＤ設計は、ねじれネマチック（ＴＮ）構成であり、そのネマチック構成において、ねじれ角（Φ）は９０°となるように選択される。典型的なＴＮ  ＬＣＤは、８°のプレチルト角Θ、約５ミクロンのセルギャップｄを有していることがある。他の設計としては、１８０度と２７０度の間のねじれ角を有する超ねじれネマチック（ＳＴＮ）モード、０°のねじれ角を有するＩＰＳ（ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードおよびＯＣＢ（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）モード、ならびに約９０°のプレチルト角を有するＶＡＮ（ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ  ａｌｉｇｎｅｄ  ｎｅｍａｔｉｃ）モードがある。また、多くの他のモードが設計され、開発されてきた。これらの設計のそれぞれは、それぞれ特有の長所と短所を有している。ある設計は優れた視野角特性を有している一方で、他の設計は優れたスイッチング応答時間を有し、また他の設計は製造コストを最も低くすることができる。
【０００６】
セルまたはパネル設計にかかわらず、ＬＣＤの最終的な性能は、正しい値のラビング方向、ねじれ角、セルギャップおよびプレチルト角でセルを製造できるかに依存している。これらのパラメータの一部または全てを測定するための種々の技法および計測器が導入されてきた。しかしながら、これらの技法および計測器は多くの場合は緩慢なものであり、液晶セル上の単一の小さな場所を測定するために、時には約２０秒〜３０秒を要している。その結果として、製造する間にセル上のわずか５つの場所しか試験することができず、これらの場所とは、一般には中央および各コーナー領域となる。そのような測定では、ラビング方向のミスアライメント、セル厚さの不均一性および他の欠陥などのセル欠陥が検出される。
【０００７】
これらのパラメータを測定するための計測器は、ＬＣＤセルまたはパネルの製造および品質管理のための重要なツールであり、またさらには研究開発のための重要なツールである。上述した現行の測定装置および方法が低速であることから、製造中のセルのスループットが制限されていることは明白である。また、これらのパラメータを測定するための既存の計測器では、パラメータのうちのいくつかを先験的に知ることがしばしば必要となり、正確な測定値は限られた範囲の値で得られるに過ぎないことがある。例えば、既存の測定システムでは、セルのラビング方向を事前に知ることが必要になることがあり、また、プレチルト角を０度から３０度の範囲でしか測定できないことがある。別の既存の測定システムでは、液晶分子における時計回りのねじれの向きと反時計回りのねじれの向きとを区別できないことがある。
【０００８】
本出願人の発明は、いかなる液晶セルのラビング方向、ねじれ角、セルギャップおよびプレチルトも同時に測定することが可能である。また、本発明は、先行技術に対して際立った利点を有している。以下で説明するように、先行技術で説明される技法は、所望のパラメータのうちの一部分のみを測定するもの、または、セルの特定のモードに対してのみ有効であるもの、または、所望のパラメータのうちの一部を事前に知ることが必要となるもの、または、測定を完了するためにＬＣセルを回転させることが必要となるものである。本発明は、これらの制限を有していない。
【０００９】
米国特許第５，２３９，３６５号に開示されている発明は、ねじれた液晶セルの厚さを測定するための技法を説明したものである。しかしながら、この技法では、ラビング方向およびねじれ角を先験的に知ることが必要となる。直線偏光子を適切な方向にアライメントすることによって、この技法は、スペクトル透過率の測定値からセルのリターダンスを決定することができ、次いで、液晶材料の既知の複屈折率Δｎに基づいてセルギャップを計算することができる。この技法では、ねじれ角またはラビング方向を測定することはできない。
【００１０】
米国特許第５，５３２，８２３号に開示されている発明は、先行技術を改善したものである。交差させた偏光子を通じてスペクトル透過率を測定することによって、また偏光子間での液晶セルの連続的な回転を可能にすることによって、近似法を使用してねじれ角、ラビング方向およびセルギャップを測定している。この技法は、ねじれ角が１２０°未満であることを必要としており、したがって、ＳＴＮモードセルの測定には使用することができない。
【００１１】
さらなる改善が米国特許第６，０８１，３３７号に記載されている。この技法では、液晶セルは回転されない。その代わりに、スペクトル透過率の測定が行われている間、セルの前後の偏光子が回転される。２つの偏光子に対する適切な回転角度を決定し、かつラビング方向、ねじれ角およびセルギャップを決定することができるアルゴリズムが記載されている。
【００１２】
上述した３つの技法のそれぞれは、サンプルを直線偏光状態で照明し、サンプルから出る光の直線偏光成分を解析することによって、液晶セルの特性を決定するものである。しかしながら、ねじれた液晶セルのキラル構造は、円形および楕円形の偏光状態を調査することによって、相当な量の付加的な情報を得ることができるような構造である。米国特許第６，３００，９５４号では、液晶セルを出る光の完全な偏光状態（ストークスベクトル）を調べることの有用性が認められている。しかしながら、この技法は直線偏光をセルに放つに過ぎない。透過ビームにおける最大測定値または最小測定値を生じる配向度を見つけるために、セルが回転される。突き止められた配向度において、セルギャップおよびねじれ角を、測定したストークスベクトルから決定することができる。しかしながら、この新しい先行技術においても、測定のために液晶セルを回転させることが必要となり、また、ラビング方向は測定されない。
【００１３】
液晶セルのセルギャップ、ねじれ角およびラビング方向を迅速かつ正確に測定するためには、セルの完全なミュラー行列を１つ以上の波長で測定すると有利であることを、本発明において示す。周知のことであるが、サンプルのミュラー行列を正確に測定するには、左回りの回転および右回りの回転を含めて、直線、楕円形および円形など、種々の偏光状態でサンプルを照明し、それらの偏光状態がサンプルと相互作用した後に、同様な種々の偏光状態を解析することが必要となる。測定が適切に実施された場合に、サンプルのミュラー行列を測定することができる。ミュラー行列は、リターダ特性、偏光子特性および偏光解消特性を含め、サンプルに生じうるすべての偏光変化特性を、ミュラー行列内に含んでいる。本発明に先立って、理論的なまたは測定された液晶セルのミュラー行列について記載された論文は、小数しか存在しない。
【００１４】
「Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．」（Ｖｏｌ．６８、ページ１７５６〜１７６７、１９７９年）における記述では、ねじれネマチック液晶セルに対するミュラー行列を数学的に導出する方法が教示されている。しかしながら、さらなる分析は実現されておらず、また実験的結果は示されていない。「Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．」（Ｖｏｌ．３７、ページ９３７〜９４５、１９９８年）では、理論的にミュラー行列の偏光固有状態を計算することによって、ねじれネマチック液晶セルのミュラー行列の数学的導出が進められている。しかしながら、測定値は提示されておらず、この取組みの目的は、おそらく光学相関または他の光計算用途において使用するための位相のみの変調を、装置を使用して達成できるように、ねじれネマチック液晶セルの偏光固有状態を検出することであろう。本発明者らが知るところでは、ねじれネマチック液晶装置の測定した偏光固有状態を示す唯一の参考文献である「Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．」（Ｖｏｌ．１８、ページ１５６７〜１５６９、１９９３年）に記載された実験的測定の後に、その理論的な取組みは実際に続くものであった。これらの測定は、単一の波長でなされたものであり、また、液晶に印加した電圧の関数としてなされたものである。この取組みの目的は、光学相関用途のための位相のみの変調器として装置を使用することができるように、これらの固有状態を検出することであった。最後に、「Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．」（Ｖｏｌ．１２、ページ１９３８〜１９４８、２００１年）において、本発明者らは、液晶セル上におけるミュラー行列測定の別の集合を見出しており、これは本発明者らが知るところでは唯一のものである。その記事において、強誘電性液晶セルの結晶非対称性およびスイッチング応答時間についての研究が、ミュラー行列測定を使用してなされている。
【００１５】
先行技術についての本発明者らの調査を要約すると、先行技術は２つのカテゴリに分類できることが分かる。その２つのカテゴリとは、すなわち液晶セルの物理的特性を測定するための方法および装置について記載した特許と、液晶セルのミュラー行列を理論的にモデル化するか、または実験的に測定した学術的研究論文である。特許される技法は、能力が限られた単純なシステムから、より多くの偏光特性を測定することができる複雑なシステムであり、したがって液晶セルのより多くのパラメータを測定することができるより複雑なシステムへと進化している。しかしながら、特許された技法には、完全な偏光特性、すなわち完全なミュラー行列測定に必要なシステムの複雑さの水準について主張したものは依然として存在しない。学術的研究論文については、液晶に対するミュラー行列がいかなるものであるかを導出するもの、または、液晶セルのミュラー行列を様々な研究目的で分析して測定するもののいずれかである。これらの論文の目的は、常にＬＣセルの光学特性を調査することであった。これらの論文では、問題を逆にすること、すなわち、測定した光学特性を使用して遡り、セルの物理的特性を判定することは考慮されていない。液晶セルのラビング方向、ねじれ角、セルギャップ、プレチルトを同時にかつ一意に決定するために完全なミュラー行列測定値を使用することを主張するこれらの論文のいずれも、実験的測定または理論的分析を提示していない。
【発明の開示】
【００１６】
したがって、本発明の一つの目的は、セルギャップ、ねじれ角およびラビング方向を含むパラメータの１つ以上を、それらの値が予め知られていない場合でも正確に決定することができるような液晶セルのミュラー行列の測定方法を提供することである。本発明の別の目的は、セルのセルギャップ、ねじれ角およびラビング方向が予め知られていない場合に液晶セルの光学特性を測定するための測定装置、または測定中に液晶セルを回転させる必要のない測定装置を提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、所望の値のセルギャップ、ねじれ角およびラビング方向を有する液晶装置を製造する方法である。
【００１８】
本発明の別の目的は、液晶ダイレクタのプレチルトが、液晶装置への測定ビームの入射角を変化させることによって決定され、かつプレチルト角が０度から９０度の任意の値を取りうるような液晶セルのミュラー行列の測定方法を提供することである。
【００１９】
本発明の別の目的は、プレチルト角が０度から９０度の任意の角度を取りうるような液晶セルの液晶ダイレクタのプレチルトを測定するための測定装置である。
【００２０】
本発明の別の目的は、所望の値のプレチルト角を有する液晶装置を製造する方法である。
【００２１】
本発明のさらなる目的は、以下の添付の明細書を読めば明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
液晶セルのミュラー行列を測定するために、種々の異なる偏光状態にされた光が液晶セルに向けられ、セルは、これらの偏光状態をセルの特性に従って変化させる。偏光感応検出システムが、セルから現れる偏光状態を分析する。ミュラー行列を正確に測定するためには、種々の偏光状態を含む生成された光入力と、測定された偏光状態とは、共にポアンカレ球の大部分のサンプルとならなければならない。すなわち、相当に異なる配向度、楕円率および掌性を有する種々の偏光状態を生成し、分析しなければならない。液晶セルのミュラー行列が測定されると、セルギャップ、ねじれ角およびラビング方向が決定される。３つのパラメータのすべてが予め知られていない場合には、複数の波長でミュラー行列の測定が必要であり、これらのパラメータは、シミュレーションと測定が可能な限り緊密に一致するまで、セルのコンピュータシミュレーションにおいて反復法で変更される。他の場合、例えば、ねじれ角およびラビング方向の値が事前に知られている場合には、単一の波長でのミュラー行列の測定は、セルギャップを決定するために十分なものとなる。
【００２３】
上述の測定では、通常ほとんどの場合そうであるように、複屈折率Δｎおよびプレチルト角Θが、測定に先立って知られていることが必要となる。プレチルトが正確には知られていない場合には、プレチルト角を測定できるようにすれば有利となる。
【００２４】
プレチルト角を測定するために、測定ビームの入力方向と入射角を変化させることが可能な機械的取付け具に加えて、上述したものと同じミュラー行列の測定技法が使用される。ミュラー行列を入射角の関数として測定することによって、また、これらの測定結果を解析表現またはコンピュータシミュレーションのいずれかと比較することによって、液晶のプレチルト角を決定することができる。
【００２５】
図３は、本発明の基本的要素を示す。偏光状態生成器１０は、時間変動する偏光状態を有する光学ビーム１２を発生させる。このビームは、サンプル１４、この場合はＬＣＤセルと相互作用して、ビーム１２の偏光状態の一部またはすべてを変化させる。変化した偏光状態は、偏光状態分析器１６によって分析される。偏光状態分析器１６は、時間変動する一連の偏光状態を測定するが、また同時に、ビームを分割し、その分割したビームのそれぞれを、異なる各々の固定した偏光要素および検出器に通すことによって、不連続な数の一定の偏光状態を測定することもできる。偏光状態生成器１０および偏光状態分析器１６は、それぞれマイクロコントローラまたはパーソナルコンピュータなどのプロセッサ１８によって制御されている。プロセッサ１８は、偏光状態生成器１０によって開始され、偏光状態分析器１６によって測定された既知の偏光状態に基づいて、サンプルのミュラー行列（図８）を計算する。ミュラー行列が測定されると、プロセッサ１８は、セルギャップ、ねじれ角、ラビング方向およびプレチルト角など、液晶セル１４の所望のパラメータを計算して、製造プロセスの間の可能な限り早い時期に、欠陥品であるＬＣＤセルを判定する。強調すべきこととしては、現在の技術水準の方法では２０秒〜３０秒が必要になるのが現状であるのに対して、本出願人の発明は、試験されるＬＣＤセルの場所ごとに約１秒未満で規定のパラメータを迅速に決定する。そのような試験は、概して、完成したＬＣＤ視野スクリーンの色純度に関するものである。例えば、公称で５ミクロンのセルギャップが工場規格外に変動する場合、変動する領域には、白色または黒色のスクリーン上に、目立って明るいか、または暗い濃淡のついた領域が発生する。テレビまたはコンピュータスクリーン上で、そのような領域は、許容範囲外とされる目立った望ましくない色合いを有することがある。したがって、そのような欠陥セルを製造プロセスにおいて早期に識別して、そのセルを廃棄するか、または再利用できるようにすることが重要である。予想されるデッドピクセルの個数を判定するための電気試験など、ＬＣＤセルに対するさらなる試験が、後に製造プロセスにおいて実施される。制御器２０、２１は、本発明者の参照出願に記載されているように、偏光状態生成器１０および偏光状態分析器１６の回転速度を制御する。
【００２６】
図４は、本発明者によって発明されたミュラー行列測定システムの実現可能な一実施形態を示したものであり、上で参照した「Ｃｏｍｐｌｅｔｅ  Ｐｏｌａｒｉｍｅｔｅｒ」と題した本発明者の特許出願に詳細に記載されている。この装置は、ＬＣＤセルの測定値を取得するために、適切に拡大・縮小して使用することができる。参照出願の装置に対する１つの考えられる修正は、サンプリング用のＬＣＤセルを受けるために、Ｘ−Ｙ方向への平行移動が可能となるテーブルを拡大することである。その時点の出願において、図３の偏光状態生成器１０は、光源２４によって生成された平行光学ビーム２２をもたらすものとして示されており、その光ビームは、リターダンスの約３分の１波長で、水平な直線偏光子２６を通り、次いで連続的に回転するリターダ２８を通るように向けられている。本発明者の参照出願に記載されているように、この結果、時間変動する偏光状態の連続光が、サンプル３０、すなわちＬＣＤセルを通じて放出され、そのＬＣＤセルは、適切に寸法決めされたＸ−Ｙ方向に平行移動が可能なテーブルに装着され、セルの様々な場所を測定するために移動させることができるようになっている。図３の偏光状態分析器１６は、約３分の１波長のリターダンスを有する連続的に回転するリターダ３１を備えるように構築することができ、それに続いて水平直線偏光子３２が設置され、その後に光検出器３４が続いている。２つの回転するリターダ２８、３１は、完全には整数でない約５：１の比で回転しており、また、プロセッサ１８はセルのミュラー行列を計算する。
【００２７】
図５は、本発明者の参照出願に提示されたシステムを概略的に示したものである。ここで、本発明者の偏光状態生成器１０および偏光状態分析器１６は、ロボット制御システム４０に装着されており、そのロボット制御システム４０は、平行光ビーム２２の入射角度を最大で約８０度変化させることが可能であり、その一方で偏光状態生成器１０および偏光状態分析器１６のアライメントを維持する。これはロボット制御システムによって容易にされたものであり、このロボット制御システムは、セル３０を通って任意の角度方向にビーム２２を向けることができるように、偏光状態生成器１０および偏光状態分析器１６を２軸システムに装着している。加えて、ロボット制御装置４０は、直線平行移動器４２を備えており、その直線平行移動器４２は、セル３０上の複数の場所を試験することができるように、ある方向にセル３０を移動させる。
【００２８】
本発明は、ミュラー行列の特定の集合を測定し、そのデータを使用して、セルギャップ、ねじれ角、ラビング方向およびプレチルト角などの液晶セル３０における所望のパラメータを計算する付加的なステップを組み込んでいる。ミュラー行列のどの集合を測定するかの選択は、液晶パラメータのうちのどれが事前に知られているか、またはどれを測定すべきかに依存する。例えば、プレチルト角は多くの場合既知であり、この場合にはミュラー行列を１つ以上の波長において垂直入射で測定すると、セルギャップ、ねじれ角およびラビング方向を計算するために十分なデータが得られる。別の例としては、ねじれ角はしばしばゼロであることが知られている。この場合にはプレチルトおよびセルギャップは、ミュラー行列を入射角の関数として測定することによって決定することができ、ここで、入射平面は、液晶ダイレクタに沿うように選択されるか、または液晶ダイレクタに対して垂直となるように選択される。液晶セルについての情報が既知でない場合には、セルパラメータのすべてを決定するために、１つ以上の波長および１つ以上の角度でミュラー行列を測定することができる。いかなる場合においても、測定したミュラー行列から液晶セルパラメータを計算するための技法は同じであり、また以下で説明するとおりである。
【００２９】
液晶セルのパラメータを決定するために、測定されたミュラー行列は、セルの数学的モデル（コンピュータシミュレーション）と比較されるが、ここで、そのモデルは、ラビング方向、ねじれ角、セルギャップおよびプレチルト角の自由パラメータを有している。通常、液晶材料の複屈折率Δｎは、波長の関数として既に知られている。複屈折率を１つの波長でのみ知られることは可能であり、また波長分散もモデルにおいて自由パラメータであることは可能である。
【００３０】
この数学的モデルを作成するために、液晶セルは１軸複屈折材料のＱ枚の個別均質層としてモデル化され、Ｑは５０などの大きな数である。大きなねじれ角を有するか、またはその他に必要とされ、または望まれる場合の液晶セルに対して、多数の層、例えば約４００枚の層が、シミュレーションの精度を向上させるために、使用されるか、または必要とされる場合がある。各複屈折層は、それぞれ通常の屈折率と異常な屈折率である既知の値ｎｅおよびｎｏを有する１軸材料としてモデル化される。屈折率楕円体の異常軸は、各個別の層ごとに液晶分子のダイレクタに沿って整列している。セルのガラスパネルと接触する層１と層Ｑの場合、ダイレクタは、垂直線に対してセルのプレチルト角だけ傾斜している。層１の場合、ｘｙ平面におけるダイレクタの配向度は、ラビング方向によって与えられる。層Ｑの場合、ｘｙ平面におけるダイレクタの配向度は、層１のラビング方向にねじれ角を加えたものによって与えられる。層２から層Ｑ−１の場合、チルト角および配向度は、層１から層Ｑへと線形に変化するようにモデル化され、このモデル化は液晶セルに印加された電圧がないときには有効な想定となる。有効な想定となる理由としては、このモデル化が、液晶分子の最低自由エネルギー構成または静止状態を近似したものであるからである。さらに他にも、より正確な数学的モデルが望まれるか、または要求される場合には、チルト角および配向度の線形な変化を、液晶分子の弾性定数のような既知の方式で変動する数学的シミュレーションの結果で置き換えることができる。そのようなシミュレーションでは、シミュレートされる液晶材料の非線形な側面が考慮される。弾性連続体理論は、液晶分子の最低自由エネルギー構成を決定するそのような手段に基づいている。弾性連続体理論のモデルを使用すると、シミュレーションの精度が向上するが、必要となる計算時間もまた増加する。
【００３１】
このモデルについて説明するために、図１、図６ａおよび図６ｂを参照されたい。図１に示す事例では、１〜２２（Ｑ＝２２）で示す２２枚の層を示しており、プレチルトはゼロであり、層１におけるダイレクタ配向度はαであり、またその配向度は層Ｑにおいて角度α＋φへと線形に変動している。図６において、２つの事例を示しているが、Ｑ＝２２であり、層１および層Ｑにおける配向度は同じ角度Θであり、またねじれ角はゼロである。図６の上側の図は、このセルの「広がり」モードを示し、図６の下側の図は、このセルの「曲げ」モードを示す。これらのモード間の差異は、チルト角がセルを通じて線形に増加するか、または線形に減少するかである。双方のモードは、液晶セル製造業者によって物理的に実現可能であり、いずれのモードもモデル化することができる。
【００３２】
このモデルを実現するために、各層のミュラー行列が、既知の光学波長、光の既知の伝播方向、液晶材料の既知の複屈折率ならびにプレチルト、ラビング方向、セルギャップおよびねじれ角の推定値に基づいて計算される。Ｑ個の個別のミュラー行列が計算されると、セルの全体的なミュラー行列が以下のように計算される。
【００３３】
Ｍｃｅｌｌ＝ＭＱＭＱ−１．．．Ｍ２Ｍ１
上式において、Ｍｃｅｌｌは、測定したデータセットにおいて各光学波長または入射方向ごとに計算される。次いで、モデル化された点と測定された点との間の達成可能な最低の二乗平均差を用いて、モデル化されたミュラー行列が測定されたミュラー行列と一致するまで、プレチルト、ラビング方向、セルギャップおよびねじれ角の推定値を反復法で修正する。当業者には周知であるが、ガウス−ニュートン法、勾配降下法またはレーベンバーグ−マルカートアルゴリズムなど、任意の標準的な最適化アルゴリズムがこの目的に適したものとなる。
【００３４】
図７は、液晶セルパラメータを決定するために必要なプロセスの流れ図である。ここで、ステップ５０において、光源２４が通電され、リターダ２８、３１の回転が開始する。信号は、処理用のコンピュータ１８によって光検出器３４から取得される。
【００３５】
ステップ５２において、サンプルを必要に応じて複数の波長で取得することができる。複数の波長におけるデータの生成は、複数の方式で達成することができる。例えば、光源２４は、複数の狭帯域干渉フィルターを含む電動式フィルターホイールをさらに付加したハロゲン電球またはアークランプなどの白色光源であってもよい。これらのスペクトルフィルターは、典型的にはコンピュータまたは制御器の制御下で、プロセッサ１８からＲＳ−２３２ポートを介してフィルターホイールにコマンドを発行することによって、個別に選択することができる。別の方法として、光源２４は、プロセッサ１８からコマンドを発行することによっていかなる波長も選択可能となるモノクロメーターをさらに加えた白色光源から構成されていてもよい。また別の方法として、光源２４は、白色光源から構成されていてもよく、また光検出器３４はスペクトロメーターから構成されていてもよい。
【００３６】
ステップ５４において、複数の入射角をサンプリング用に選択することができる。これらの入射角は、適切なコマンドをロボット取付け具４０に送信するプロセッサ１８によって生成される。
【００３７】
ステップ５６において、測定されたミュラー行列が計算される。測定された１つのミュラー行列が、各波長および入射角の設定ごとに決定される。これらは、測定されているセルを表すミュラー行列である。
【００３８】
ステップ５８において、セルギャップ、ねじれ角、ラビング方向およびプレチルトの初期推定値に基づいて、シミュレートされたミュラー行列を計算するためのコンピュータシミュレーションが実施される。シミュレートされた１つのミュラー行列は、測定された各波長および入射角ごとに計算される。すなわち、サンプルから測定された各ミュラー行列は、対応する１つのシミュレートされたミュラー行列を有する。ステップ６０において、セルギャップ、ねじれ角、ラビング方向およびプレチルトの１つ以上の初期推量値が、反復法で変更される。反復のたびに、シミュレートされた新たなミュラー行列が計算され、次いで、測定されたミュラー行列と比較される。シミュレートされたミュラー行列の要素と測定されたミュラー行列の要素との間の二乗平均差は、最適化手法において効果尺度として使用される。シミュレートされたミュラー行列内の推定されるセルパラメータは、二乗平均差が最小化されるまで、または、二乗平均差が一般に試験中のＬＣＤセルと緊密に適合することを示す十分に低い値に達するまで、反復法で変更される。反復法のステップ幅を選択するための技法、または最適化プロセスが解に収束する速度を最大化するための技法は、当業者には周知である。例えば、ガウス−ニュートン法、勾配降下法およびレーベンバーグ−マルカートアルゴリズムは、すべてこの目的に適している。セルギャップ、ねじれ角、ラビング方向およびプレチルトに対する最適化された値が分かると、ステップ６２においてその値がユーザーに報告される。
【００３９】
モデル化されたデータを測定されたミュラー行列に適合させるとき、正規化されたミュラー行列における下方の３×３の小行列の値を適合させると有利である。正規化されたミュラー行列を使用すると、色フィルターまたはセルの他の分光特性の影響が計算から除去される。下方の３×３の小行列は、ミュラー行列のリターダンス情報を含んでおり、液晶装置は典型的にはリターダンスのみの装置である。０°以外の入射角において、ガラスセルのｓ反射率およびｐ反射率によって幾分かの非減衰性が発生する。すなわち、セルは部分的偏光子としても機能する。この場合、ミュラー行列の極分解を実施し、純粋なリターダンスのミュラー行列に対してのみ曲線適合を実施すると有利である。
【００４０】
図８は、ねじれネマチックタイプの液晶セルに対する正規化されたミュラー行列の成分を示すグラフである。ミュラー行列の要素は、波長の関数として滑らかに変化している。最も一般的な場合、リターダンス次数は複数の次数にわたるが、その場合にも、ミュラー行列要素は滑らかに振る舞い、不連続性を有することがなく、ミュラー行列要素は曲線適合に最も適したものとなっている。
【００４１】
図９ａおよび図９ｂは、図８に示すものと同じデータを示したものであるが、図９ａはリターダンスの大きさを示し、図９ｂは図８のミュラー行列の固有解析を通じて計算されたリターダンスの速い軸を示している。当業者には周知であるが、計算されたリターダンスおよび速い軸は、リターダンスの大きさがリターダンスのさらなる１８０°を超えるたびに不連続性を有する。リターダンスの真の「次数」を各点で決定することが必要となり、プロットが連続的となるように大きさと速い軸を広げるように試みるアルゴリズムを適用することが必要となっている。実際に、図９ａおよび図９ｂにおけるデータは、リターダンスが６８０ｎｍ以下の波長で１８０°を超えることから分かるように、既に広げられている。図９ａおよび図９ｂは、液晶装置の挙動を理解して視覚化することを支援する上で非常に有用であるが、実際に曲線適合を行うにはあまり有用ではない。
【００４２】
図１０は、本発明を制御するために、また結果として得られたデータを解釈するために、研究者が研究開発環境において使用しうる１つの実現可能なグラフィカルユーザーインターフェースの一例を示す。ここでは、ポアンカレ球およびリターダンス対波長のグラフ表示が、研究者に提示されている。セルギャップ、ブラシ角、ねじれ角、プレチルトおよび入射角に対するスライダによって、様々なセルパラメータを個別に操作することができる。加えて、垂直スライダおよび水平スライダによって、ポアンカレ球が都合のよい向きから見えるように、そのポアンカレ球を操作することが可能となっている。セルパラメータのそのような操作は、シミュレートされた偏光特性と測定された偏光特性とを比較するために有用である。加えて、ＣＡＬＣＵＬＡＴＥ（計算）ボタンを押すと、測定されたミュラー行列データに基づいて、最良の適合セルパラメータを決定するための最適化ルーチンを開始することができる。
【００４３】
技術者または他の作業者が、アセンブリラインの方式で複数のセルに対して同じ測定を繰り返し行う製造環境においては、図１１に示すような簡略化されたインターフェースがおそらくは好ましいものとなるであろう。ここでは、ポインティングデバイスのボタンを一度クリックするか、またはタッチスクリーンなどを一度タッチすると、すべての測定を実施することができる。「Ｐｅｒｆｏｒｍ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ（一回の測定を実施）」ボタンを押すと、セルギャップ、ラビング方向、ねじれ角およびプレチルトの値が自動的に測定されて表示される。この測定は、予め定義された「レシピ」に基づいていてもよい。そのようなレシピは、どのようなチルト角、光学波長およびセル位置が測定されるべきかを示すことができ、また、測定されたパラメータが記憶されるデータベースを指定することができる。セルパラメータの１つ以上が事前に知られており、したがって測定する必要がない場合には、それらのパラメータを入力することができ、次いで最適化ルーチンから除外することができる。強調すべきこととしては、パラメータのいずれも事前に知られていない場合には、パラメータのすべてを計算できるようにするために、十分な波長および入射角で測定するようにシステムをプログラムすることができる。また、インターフェースは、オペレータがセル上の特定のＸＹ位置を測定するか、または自動化されたＸＹマップ測定を実施するためのボタンを備えていてもよい。
【００４４】
留意すべきこととして、本発明者は、本願を通じて液晶セルの物理的パラメータを以下のステップによって決定する技法について説明している。そのステップとは、すなわち一連の様々な偏光状態が液晶セルを通じて向けられるステップ、次いで変化した偏光状態が偏光状態分析器を通過するステップ、分析された各偏光状態における光出力が光検出器で測定されるステップ、液晶セルのミュラー行列が測定された光出力、および生成され分析された既知の偏光状態から計算されるステップ、ミュラー行列の測定が１つ以上の光学波長および１つ以上の入射ビーム方向でなされるステップ、液晶セルのミュラー行列のコンピュータシミュレーションが同じ光学波長および入射ビーム方向に対して展開されるステップ、シミュレートされたミュラー行列と測定されたミュラー行列との二乗平均差が最小化されるまでコンピュータシミュレーションのパラメータが反復法によって変更されるステップ、結果として生じたコンピュータシミュレーションの最終的パラメータが液晶セルの真のパラメータ（セルギャップ、ラビング方向、ねじれ角、プレチルト角）を表すステップである。これらのステップは、幾分か修正するかまたは再編成することができ、また依然として本発明の範囲内に含まれることが、当業者には明らかとなるであろう。例えば、測定された光出力をミュラー行列に変換するステップを除去し、光検出器によって測定される光出力をシミュレートするステップをさらにコンピュータシミュレーションに追加し、次いで、ミュラー行列を直接比較する代わりに、シミュレートされた光出力と測定された光出力との二乗平均差を最小化するように、コンピュータシミュレーションのパラメータを反復法で変更することによって、厳密に同じ結果を実現することも可能である。別の方法として、ミュラー行列間の二乗平均差の代わりに、ピーク差を最小化することを選択して、同様の結果を達成してもよい。
【００４５】
また、留意してもらいたいこととして、本発明者は、本願を通じてサンプルセルのミュラー行列について論じてきた。論じてきたすべては、サンプルのジョーンズ行列を測定するシステムにも等しく有効である。偏光解消効果を示さないサンプルの場合には、ミュラー行列とジョーンズ行列との間に１対１の関係（任意にジョーンズ行列へと乗算されうる絶対位相項より小さい）が存在する。一般に、ミュラー行列は、実験的な取組みによって有利であるが、それは、ミュラー行列が偏光解消効果を含むこともでき、また、ジョーンズ行列に存在する未定の絶対位相項を有していないからである。それにもかかわらず、測定されたジョーンズ行列をミュラー行列の代わりに使用する技法は、本発明の別の実施形態となる。
【００４６】
最後に、留意してもらいたいこととして、実施可能な液晶のコンピュータシミュレーションに対するいくつかのわずかな変更形態で本発明の範囲に含まれるものが存在する。ゼロでない入射角における液晶セルのミュラー行列を計算するときに、液晶セルのガラスプレートの部分偏光効果は、フレネル反射係数に基づいてモデル化することができ、次いでこれらのシミュレートされたミュラー行列は、上述のように測定されたミュラー行列と比較される。これによって前述と同じ結果が得られるが、ここで、モデルは、ゼロでない入射角におけるフレネル反射係数を無視しており、また測定されたミュラー行列の極分解が実施され、その結果、測定されたミュラー行列の純粋なリターダンスの部分が、シミュレートされたミュラー行列と比較される。
【００４７】
今日使用されている３ＧＨｚを超える速度、６４ビットプロセッサ、デュアルコアプロセッサなどを有するコンピュータでは、ＬＣＤセルに関連するパラメータを決定し、これらの計算されたパラメータをコンピュータモデルと比較するためのミュラー行列の計算は、非常に迅速なものとなっている。１秒当たり５，０００個超のシミュレートされたＬＣＤミュラー行列の計算を合理的に達成することができる。説明したように、そのようなモデル化および計算は、約１秒未満で達成することができ、試験時間が約２〜３分から数秒へと短縮され、試験プロセスのスループットが大いに向上している。
【００４８】
このように、本発明者の発明およびその発明の使用方式について説明してきたので、添付した特許請求の範囲の範疇に正当に含まれる二次的な変更が、本発明者の発明およびその発明の使用方式に対して行われることは、当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、ねじれた配列をした液晶分子の３次元の略図であり、分子ダイレクタが、入力（入射）側ガラスにおいてラビング方向αに整列しており、出力側に達したときにはねじれ角Φだけ一様にねじれている。
【図２】図２は、入力（入射）側から出力側までねじれのない液晶ダイレクタの概略側面図であり、ここで、セルギャップはｄで与えられ、ダイレクタのプレチルト角はΘで与えられている。
【図３】図３は、液晶セルのミュラー行列を測定するために必要な構成要素を示す構成図である。
【図４】図４は、図３に示す構成図上で展開したミュラー行列測定システムの一実施形態を示す構成図である。
【図５】図５は、機械的取付け具の概略図であり、この機械的取付け具によって、ロボットアクチュエータは、液晶パラメータの空間的変動をマップするために、偏光状態生成器と偏光状態分析器との間でＬＣＤ装置をＸＹ平面内で平行移動させており、加えて、偏光状態生成器および偏光状態分析器は、任意の入射方向と角度を実現するために傾斜させて回転させることのできる取付け具に装着されており、液晶のプレチルト角の測定が可能となっている。
【図６ａ】図６ａは、同じプレチルトを有し、かつゼロのねじれ角を有するセルの概略図であり、いわゆる「広がり」状態を示したものである。
【図６ｂ】図６ｂは、同じプレチルトを有し、かつゼロのねじれ角を有するセルの概略図であり、いわゆる「曲げ」状態を示したものである。
【図７】図７は、液晶セルのパラメータを測定するための実行可能な１つのプロセスを示すフローチャートである。
【図８】図８は、ねじれネマチック液晶セルの正規化されたミュラー行列を示し、１６個の行列要素のそれぞれを波長の関数としてプロットしている。
【図９ａ】図９ａは、図８に示すねじれネマチック液晶セルのリターダンスを示したものである。
【図９ｂ】図９ｂは、図８に示すねじれネマチック液晶セルの速い軸（固有偏光）を、ポアンカレ球上の軌跡として示したものである。
【図１０】図１０は、研究開発環境において使用することができるグラフィカルユーザーインターフェースの例を示す。
【図１１】図１１は、製造環境において使用することができるグラフィカルユーザーインターフェースの例を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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