(57)【要約】【課題】液晶注入後の液晶セルのセルギャップを正確に測定できるセルギャップ測定装置及びこれに用いる位相差検出装置を提供する。【解決手段】電界によって複屈折状態が変化するサンプル１に対して偏光光を入射させる光源ユニット３０と、サンプル１から出射する出射光のうち特定方向の偏光成分のみを選択的に受信する検出器３６と、検出器３６で受光した光の光強度に基づいてサンプル１の位相差を算出する演算手段とを有する位相差測定装置であって、サンプル１に対して電界を印加する平板電極素子４ａ、４ｂを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界によって複屈折状態が変化する複屈折素子に対して偏光光を入射させる光照射手段と、該複屈折素子から出射する出射光のうち特定方向の偏光成分のみを選択的に受信する受光手段と、前記受光手段で受光した光の光強度に基づいて前記複屈折素子の位相差を算出する演算手段とを有する位相差測定装置であって、
前記複屈折素子に対して電界又は磁界からなる外場を印加する外場印加手段を有することを特徴とする位相差測定装置。
【請求項２】
前記複屈折素子は、透明な一対の基板と、該基板間に配置されたキラルスメクチックＣ相からなる液晶とからなる液晶素子であり、
前記外場印加手段は、前記複屈折素子に電界を印加することを特徴とする請求項１記載の位相差測定装置。
【請求項３】
前記外場印加手段は、前記複屈折素子の一方の面に近接して配置された平板電極であり、
該平板電極は、透明絶縁性基板と、該透明絶縁性基板上に形成された透明電極からなり、該透明電極は複数の平行なライン電極によって構成されたことを特徴とする請求項２記載の位相差測定装置。
【請求項４】
前記外場印加手段は、前記複屈折素子を挟み込んで設けられた少なくとも光の入出射側が透明な一対の平板電極であることを特徴とする請求項２記載の位相差測定装置。
【請求項５】
前記平板電極の一方が、透明絶縁性基板と、該透明絶縁性基板上に形成された透明電極とからなり、該透明電極は複数の平行なライン電極によって構成されたことを特徴とする請求項４記載の位相差測定装置。
【請求項６】
前記複数のライン電極は、互いに平行配置されていることを特徴とする請求項３又は５記載の位相差測定装置。
【請求項７】
水平電界を形成する際には、前記各平板電極内の隣接するライン電極の電位に所定勾配を設け、
垂直電界を形成する際には、前記各平板電極内の隣接するライン電極の電位を一定として平板電極間で電位差を設けることを特徴とする請求項３、５又は６記載の位相差測定装置。
【請求項８】
前記平板電極は、前記偏光光及び前記出射光の光軸を含む面内で回転可能に設置されていることを特徴とする請求項３から７のいずれか１項記載の位相差測定装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項記載の位相差測定装置を用いたセルギャップ測定装置であって、
前記演算手段が算出した位相差を基に、前記複屈折素子のセルギャップを算出する手段を有することを特徴とするセルギャップ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複屈折性素子の位相差測定装置に関する。具体的には、液晶素子の液晶層の位相差測定装置に関し、特に、従来測定することの難しかったＳＴＮ（スーパーツイストネマティック液晶）やＤＨＦ（デフォームドヘリカル構造強誘電性液晶）、ホメオトロピック配向をなすキラルスメクディックＣ相からなる液晶などの位相差、セルキャップ等を測定するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来液晶素子の液晶層厚（セルギャップ）を測定する方法として、液晶を封入する前の状態の液晶セル（空セル）に対し、光をあてて、反射干渉光を測定することにより空気層の厚さを測定し、その空気層の厚さをセルギャップとしていた。
【０００３】
しかし、液晶を注入することで、液晶表面張力の影響で厚さが変化し、必ずしも空セル状態の空気層厚が液晶層厚と一致しなかった。
【０００４】
また、近年液晶素子製造方法としてＯＤＦ（One Drop Fill）法が取り入れられるようになった。ＯＤＦ法は、基板と重ね合わせる前に液晶を滴下するため、空セルを形成する工程がなく、上記従来法を用いることができない。
【０００５】
液晶素子のセルギャップ測定に関する従来技術として、特許文献１に開示される「液晶セル及びその空セル」、特許文献２に開示される「ＶＡ液晶パネルのセルギャップ測定方法及び装置」、特許文献３に開示される「光偏向方法、光偏向素子、光偏向デバイス及び画像表示装置」がある。
【０００６】
特許文献１に開示される発明は、スメクチック液晶からなる液晶セルのセルギャップ測定方法を開示するものである。セルギャップの光学的光路長よりも小さな光路長を有するセルギャップ測定用領域を採用することにより、スメクチック液晶の注入前にセルギャップを精度良く測定しうる液晶セル及びその空セルを提供するものである。
【０００７】
特許文献２に開示される発明は、液晶分子の光学軸の方向がパネル面と直角になっているＶＡ（Vertical Alignment）液晶パネルのセルギャップ測定方法を提供するものである。液晶パネルに光の入射方向がＶＡ液晶パネル面に斜めになるようにあて液晶層のみに起因する複屈折を人工的に生じさせている。
これにより、ＶＡ液晶の厚さ（セルギャップ）を正確に測定できる。
【０００８】
特許文献３に開示される発明は、透明基板間に充填されたホメオトロピック配向をなすキラルスメクティックＣ相からなる液晶に、直線偏光の光を入射させ、基板面法線方向及び直線偏光方向と略直交する方向に電界を発生させることにより、入射光を偏向方向に偏向させて出射させる光偏向素子に関するものである。
【特許文献１】特開平０９−１６０００４号公報
【特許文献２】ＷＯ０１／０２２０２９号公報
【特許文献３】特開２００２−３２８４０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に開示される発明は、スメクチック層からなる液晶素子にセルギャップ測定用領域を設けているが、この領域形成のためフォトリソエッチング等を施す必要があり、素子製造コストが増加する。また、液晶層の周辺部のセルギャップを測定しているが、周縁と中央部とでギャップ差が生じている場合、真の値が得られない。
【００１０】
特許文献２に開示される発明は、ネマティック液晶やスメクチック液晶など、ＶＡ配向（またはホメオトロピック配向）処理したときに、液晶分子が均一に垂直方向を取る場合には有効であるが、局所的に配向方向を変化させたＭＶＡ配向や、スメクチックＣ液晶のように液晶分子方向が厚さ方向に対して螺旋構造を取る場合は、測定に誤差が発生したり、測定自体が不能となってしまう。
【００１１】
特許文献３に開示される発明は、光偏向量がセルギャップに依存するため、セルギャップ検査は重要であるものの、検査方法についての具体的な開示はない。
【００１２】
このように、従来は、液晶注入後の液晶セルのセルギャップを正確に測定できるセルギャップ測定装置は提供されていなかった。
【００１３】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、液晶注入後の液晶セルのセルギャップを正確に測定できるセルギャップ測定装置及びこれに用いる位相差検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、電界によって複屈折状態が変化する複屈折素子に対して偏光光を入射させる光照射手段と、該複屈折素子から出射する出射光のうち特定方向の偏光成分のみを選択的に受信する受光手段と、受光手段で受光した光の光強度に基づいて屈折素子の位相差を算出する演算手段とを有する位相差測定装置であって、複屈折素子に対して電界又は磁界からなる外場を印加する外場印加手段を有することを特徴とする位相差測定装置を提供するものである。
【００１５】
本発明の第１の態様においては、複屈折素子は、透明な一対の基板と、該基板間に配置されたキラルスメクチックＣ相からなる液晶とからなる液晶素子であり、外場印加手段は、複屈折素子に電界を印加することが好ましい。これに加えて、外場印加手段は、複屈折素子の一方の面に近接して配置された平板電極であり、該平板電極は、透明絶縁性基板と、該透明絶縁性基板上に形成された透明電極からなり、該透明電極は複数の平行なライン電極によって構成されることがより好ましい。又は、外場印加手段は、複屈折素子を挟み込んで設けられた少なくとも光の入出射側が透明な一対の平板電極であることがより好ましく、さらに加えて、平板電極の一方が、透明絶縁性基板と、該透明絶縁性基板上に形成された透明電極とからなり、該透明電極は複数の平行なライン電極によって構成されることがより好ましい。
【００１６】
本発明の第１の態様のライン電極を備えた構成においては、複数のライン電極は、互いに平行配置されていることが好ましい。また、水平電界を形成する際には、各平板電極内の隣接するライン電極の電位に所定勾配を設け、垂直電界を形成する際には、各平板電極内の隣接するライン電極の電位を一定として平板電極間で電位差を設けることがより好ましい。
【００１７】
本発明の第１の態様の外場印加手段が平板電極である構成においては、平板電極は、偏光光及び出射光の光軸を含む面内で回転可能に設置されていることが好ましい。
【００１８】
また、上記目的を達成するため、本発明は、第２の態様として、上記本発明の第１の態様のいずれかの構成にかかる位相差測定装置を用いたセルギャップ測定装置であって、演算手段が算出した位相差を基に、複屈折素子のセルギャップを算出する手段を有することを特徴とするセルギャップ測定装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、液晶注入後の液晶セルのセルギャップを正確に測定できるセルギャップ測定装置及びこれに用いる位相差検出装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
〔第１の実施形態〕
本発明を好適に実施した第１の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態にかかる複屈折素子の構成を示す。一対の透明基板１０ａ、１０ｂ内にホメオトロピック配向をなすキラルスメクチックＣ相からなる液晶１１ａが封入されている。
【００２１】
液晶層内の液晶分子は図２（ａ）に示す通り無電界状態（Ｅ＝０）では液晶層方向に螺旋構造を取っている。セルギャップの測定は透明基板の一方から光２を入射させて行うが、この状態では液晶分子方向が揃っていないため、特許文献２に開示される従来法ではセルギャップを測定できない。
【００２２】
ここで、液晶層と平行に電界Ｅ（０＜Ｅ＜Ｅｓ）を印加すると、図２（ｂ）に示すように印加した電界の強さに応じて螺旋構造が解ける。印加する電界をさらに強め、飽和電界Ｅｓ以上（Ｅｓ≦Ｅ）とすると、液晶分子はチルト角θで全て一方向に揃う。この方向（換言すると、チルト角θ）は、キラルスメクチックＣ相の自発分極と電界方向とによって定まる。
【００２３】
このように外部から電界を印加することによって液晶分子の方向を揃え、位相差（セルギャップ）を測定できる。
【００２４】
図３に、本実施形態に係る位相差測定装置の構成を示す。
この装置はハロゲンランプ、キセノンランプ、高圧水銀ランプなどのランプとリフレクタとからなる光源ユニット３０からサンプル（複屈折素子）１に測定光２１を照射する装置である。測定光は光源ユニット３０を出射したあと、光利用効率向上、光量均一化、平行光化のための照明光学系３１を透過する。その光学系内に波長単一化のためのモノクロメータ３２が設けられている。照明光学系３１の一部に不図示の光ファイバを設けても良く（光源ユニット３０〜サンプル１までの光路の一部を光ファイバで代用しても良く）、設計自由度が改善する。
照明光学系３１から出射した測定光は、偏光子３３によって直線偏光化される。電界印加手段を構成する透明な平板電極素子４ａ、４ｂがサンプル１を挟んで設けられており、電界印加手段に対して電圧を印加する電源４１から駆動電圧が供給される。平板電極素子４ａ、４ｂは、回転機構３７によって保持されており、測定光の光軸を含む面内で回転可能に設置されている。
【００２５】
サンプル１を透過した測定光は検光子３４を通過し、効率的な集光のための光学系３５を経て光量検出のための検出器３６に導かれる。
ここで示した構成は、透過型のサンプルを測定するためのセットアップであるが、後述するように（第３の実施形態参照）反射型のサンプルを測定することも可能である。その場合、光が入出射する側の平板電極素子は、透明である必要があるが、逆側は必ずしもその必要はない。
【００２６】
図４（ａ）に、電界印加手段の構成を示す。
電界印加手段は、平板電極素子４ａ、４ｂを有し、測定用のサンプル１を挟み込んで互いに平行配置した構成となるように設けられる。平板電極素子４ａ、４ｂは面対称の関係に構成できるため、ここでは４ａについてのみ構造を説明する。
平板電極素子４ａは、透明絶縁性基板４２とその上に形成された複数の透明電極４３とからなる。透明電極４３の材料としては、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、スズ添加酸化インジウムなどの酸化物導電体が好適に用いられ、真空成膜法、ゾルゲル法などによって形成可能である。
【００２７】
透明絶縁体基板４２としては、ガラス、石英、酸化マグネシウムなどの無機材料やポリカーボネートやアクリルなどの透明プラスチック材料が好適に用いられる。透明電極４３は透明絶縁性基板４２を介してサンプル１と逆側に設けることが好ましい。各透明電極４３の電位勾配で電界を発生させることになるが、これがサンプル１側に近接して配置されると局所的な電位分布によってサンプル１に均一な水平あるいは垂直電界が印加されなくなるため、透明絶縁性基板４２で電界を鈍らせるのが好ましいからである。
【００２８】
また、透明電極４３が露出した状態では導電体と接触した場合にショートする可能性があるため、接着剤４４を用いて逆側に透明絶縁性基板４２’を張り合わせることが好ましい。透明絶縁性基板４２’を張り合わせる代わりに絶縁膜を塗布したり、真空成膜等で形成しても良い。透明電極４３の一旦は電位勾配を形成するための抵抗膜４５を介して電気的に接続される。抵抗膜４５の抵抗値の上限は、リニアな電位勾配を得るための抵抗値で決まり、下限は、発熱、消費電力許容値で決まる。すなわち、抵抗膜４５の抵抗値が極端に大きい場合は、オームの法則に従った電圧降下が生じなくなり、抵抗膜４５の抵抗値が小さすぎると、電流が大きくなって発熱量が増えるとともに、消費電力も増大してしまうため、これらを考慮して抵抗膜４５の抵抗値を定めればよい。
両端の透明電極４３には電源４１との接続及び接地のための取り出し電極４６が形成されている。電源４１からプラスの電圧を供給された場合、図４（ａ）、（ｂ）では、右方向から左方向へ電界が向かい、マイナスの電圧を供給された場合は、左方向から右方向へ電界が向かう。サンプル１を挟んで等距離に平板電極を設置することでサンプル１の中央には水平方向の電界を形成できる。
【００２９】
次に、測定のメカニズムについて説明する。
図１に示す構造の液晶素子を、図３に示した測定装置にセットする。そして、図２（ｃ）に示すように、Ｅ≧Ｅｓの水平電界を電界印加手段によって印加する。
このとき、液晶分子の配向方向はＹＺ面内にある。
入射光の偏光ベクトルが同じくＹＺ面内にある場合、所定波長λにおいて光が感じる屈折率ｎθは、液晶の常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅ及び液晶チルト角θを用いて、式（１）で表される。
ｎθ＝［ｎｅ2ｎｏ2／（ｎｅ2ｃｏｓ2θ＋ｎｏ2ｓｉｎ2θ）］1/2    ・・・（１）
【００３０】
一方、入射光の偏光ベクトルがＸＺ面内にある場合は、光が感じる屈折率は常光屈折率ｎ０に等しい。Δｎ＝（ｎθ−ｎ０）とすると、位相差Ｒとセルギャップｄとには、式（２）の関係が成り立つ。
ｄ＝Ｒ／（Δｎ）    ・・・（２）
従って、位相差Ｒを求めることで、セルギャップｄを計算で容易に得られる。
【００３１】
以下、Ｒの求め方を示す。
【００３２】
β＝（Ｒ／λ）・Π    ・・・（３）
なる量βを定義する。偏光子の遅相軸をＸＹ面内でＸ軸から４５°傾け、さらに偏光子と検光子とをパラレルニコル配置して得られる規格化透過光強度Ｔｐ（０≦Ｔｐ≦１０）は式（４）で表される。
Ｔｐ＝ｃｏｓ2β    ・・・（４）
【００３３】
クロスニコル配置して得られる規格化透過光強度Ｔｃ（０≦Ｔｃ≦１）は式（５）で表される。
Ｔｃ＝ｓｉｎ2β（０≦Ｔｐ≦１）      ・・・（５）
【００３４】
実際の透過光強度測定値をそれぞれＴｐ’、Ｔｃ’とすれば、Ｔｐ、Ｔｃ、Ｔｐ’及びＴｃ’の間には、式（６）に示す関係が成り立つ。
Ｔｃ’／Ｔｐ’＝Ｔｃ／Ｔｐ＝ｔａｎ2β      ・・・（６）
式（６）からβが求められ、これを基に式（３）からＲが、式（２）からセルギャップｄが求められる。
【００３５】
ここでは、電界を印加することで分子方向を揃える例を示したが、液晶分子の場合は付与する外場として磁界を用いても配向規制力が発揮され、同様の効果が得られる。
【００３６】
本実施形態にかかる位相差測定装置の別の動作例について説明する。
上記式（１）において、チルト角θが既知でない場合、図３に示す装置を用いてチルト角θを測定可能である。
液晶素子を装置にセットし、Ｅ≧Ｅｓの水平電界を電界印加手段によって印加する。この時、液晶分子の配向方向はＹＺ面内にある。偏光子３３と検光子３４とをクロスニコル配置し、これを保った状態で偏光子３３、検光子３４をＸＹ面内で回転させる。回転とともに検出器３６で検出される光量は周期的に変化する。
ここから、一対の平板電極素子及びサンプルを、測定光の光軸を含む面内でψ回転させ、同様の測定を行う。ψ回転させると光量変化の周期は変わらないが、振幅（光量）は低下する。さらにψを増やしていくと、ある角度を境に光量がほとんど変化しなくなる。これは、液晶分子が光軸方向と一致したことによる。この時の角度ψがθと等しい。
【００３７】
以上の動作によって、チルト角θを測定可能である。
【００３８】
〔第２の実施形態〕
本発明を好適に実施した第２の実施形態について説明する。本実施形態にかかる位相差測定装置の構成は第１の実施形態とほぼ同様である。
図５に、本実施形態における電界印加手段の構成を示す。第１の実施形態とは異なり、本実施形態においては垂直方向の電界を印加する。各平板電極素子内のライン電極の電位を一定にし、平板電極間で電位差を設けた構造である。サンプルがＤＨＦの場合などに有効である。
【００３９】
なお、図６に示すように、電源（グラウンド）と透明電極４３との間にスイッチ４７を設け、垂直方向の電界を印加するか水平方向の電界を印加するかを切り換えられるようにすることにより、上記第１の実施形態にかかる位相差測定装置の動作と本実施形態にかかる位相差測定装置の動作との両方を、一つの装置で選択的に実行可能となる。
【００４０】
〔第３の実施形態〕
本発明を好適に実施した第３の実施形態について説明する。
図７に、本実施形態にかかる位相差測定装置の構成を示す。本実施形態に係る位相差測定装置は、反射型の液晶素子に対応した構成である。図３に示した光学系からの変更点として、光源ユニット３０からのサンプル（複屈折性素子）１までの光学系に偏光ビームスプリッタ３８が加わり、偏光ビームスプリッタ３８において直線偏光化された光がサンプル１へ入射するように配置されている。直線偏光の偏光面がＸＹ面内でＸ軸から４５°傾いた状態で入射するように光源ユニットから偏光ビームスプリッタまでの光学系はセットされる。本装置においては、電界印加手段を構成する平板電極素子（４ａ、４ｂ）のうちサンプル１の裏面側の平板電極素子（４ｂ）は、必ずしも透明である必要はない。サンプル１から出射した測定光は、入射光と等しい角度成分の偏光は偏光ビームスプリッタによって光源側に反射し、入射光と直交する角度成分の偏光は偏光ビームスプリッタ３８を通過して光量検出のための検出器３６に導かれる。すなわち、図３におけるクロスニコル配置と同様の光検出すなわち式（５）におけるＴｃ’が得られる。
【００４１】
図７に示す構成では、Ｔｐ’を直接測定する機能が備わっていないが、偏光ビームスプリッタ（３８）とサンプルとの間に１／４波長板（λ／４板）を設置することで測定可能である。
【００４２】
このように、本実施形態にかかる位相差測定装置も、第１の実施形態と同様に液晶素子の位相差を検出し、これを基にセルギャップを測定可能である。
【００４３】
なお、上記各実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれらに限定されることはない。
例えば、上記各実施形態においては、サンプルを一対の平板電極で挟み込む構成を例に挙げて説明したが、図８に示すように、サンプルの片側のみに平板電極を設けるようにしても同様の効果が得られる。
このように、本発明は様々な変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】液晶素子の構成を示す図である。
【図２】液晶素子に印加する電界の強さと液晶分子の配向状態との関係を示す図である。
【図３】本発明を好適に実施した第１の実施形態にかかる位相差測定装置の構成を示す図である。
【図４】電界印加手段の構成を示す図である。
【図５】本発明を好適に実施した第２の実施形態にかかる位相差測定装置の電界印加手段の構成を示す図である。
【図６】第２の実施形態にかかる位相差測定装置の電界印加手段の別の構成例を示す図である。
【図７】本発明を好適に実施した第３の実施形態にかかる位相差測定装置の構成を示す図である。
【図８】サンプルの片側のみに平板電極を設ける場合の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    サンプル
４ａ、４ｂ    平板電極素子
１０ａ、１０ｂ    透明基板
１１ａ    液晶
２１    測定光
３０    光源ユニット
３１    照明光学系
３２    モノクロメータ
３３    偏光子
３４    検出子
３５    集光光学系
３６    検出器
３７    回転機構
３８    ビームスプリッタ
４１    電源
４２、４２’    透明絶縁性基板
４３    透明電極
４４    接着剤
４５    抵抗膜
４６    取り出し電極
４７    スイッチ
【図１】
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【図２】
2008107496.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2008107496.tif 000007
【図６】
2008107496.tif 000008
【図７】
2008107496.tif 000009
【図８】
2008107496.tif 000010