(57)【要約】【課題】光学媒体の状態によらずに、光透過性媒体の光学定数を簡単に且つ高精度で測定する光学定数測定方法及び光学定数測定装置を提供する。【解決手段】測定対象となる光学媒体で形成され、厚さの異なる試料を２つ（又は２つ以上）用意し、汎用的な分光透過率測定器を用い、２つの試料のそれぞれの分光透過率Ｔ１ｅｘｐ（λ）と、Ｔ２ｅｘｐ（λ）を測定する。理論式で得られた２つの試料のそれぞれの透過率の計算値Ｔ１ｃａｌ（λ）とＴ２ｃａｌ（λ）を、測定された分光透過率Ｔ１ｅｘｐ（λ）とＴ２ｅｘｐ（λ）と比較し、その差は充分小さくなるように、光学媒体の屈折率ｎと減衰係数ｋを導出する。【選択図】図４
2004163299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の光学媒体で形成され、厚さが異なる少なくとも２つの光透過体に光を照射し、前記照射された光に対する各々の前記光透過体の透過率を測定する第１の工程と、
測定された各々の前記光透過体の透過率より、前記光学媒体の光学定数を求める第２の工程と
を有する
光学定数測定方法。
【請求項２】
前記第２の工程において、前記光学媒体の光学定数の波長分散近似式を用い、測定された前記各々の光透過体の透過率より、前記光学媒体の光学定数を求める
請求項１に記載の光学定数測定方法。
【請求項３】
前記第１の工程において、前記各々の光透過体を、少なくとも１つの透明基板で支持する
請求項２に記載の光学定数測定方法。
【請求項４】
前記第１の工程において、前記光学媒体に光学的異方性を有する光学媒体を用い、直線偏光を前記各々の光透過体に照射し、前記光学媒体の光学的異方性に応じた複数の方向における前記各々の光透過体の透過率を測定し、
前記第２の工程において、測定された前記各々の光透過体の前記複数の方向における透過率より、前記複数の方向における前記光学媒体の光学定数を求める
請求項２に記載の光学定数測定方法。
【請求項５】
前記第１の工程において、前記光学媒体に液晶を用い、前記液晶を２つの透明基板で挟持し、前記２つの透明基板の間隔を変更することにより厚さの異なる少なくとも２つの前記光透過体を作製する
請求項４に記載の光学定数測定方法。
【請求項６】
前記第１の工程において、前記液晶の分子の方向を同一方向に揃える
請求項５に記載の光学定数測定方法。
【請求項７】
測定対象である光透過体に光を照射する光源と、
前記光透過体を透過する透過光を測定する光測定器と、
前記光測定器に測定された前記透過光から、前記光透過体の光透過率を求める制御部と
を有し、
前記制御部は、同じ光学媒体で形成された少なく２つの厚さの異なる光透過体の光透過率から、前記光学媒体の光学定数を求める
光学定数測定装置。
【請求項８】
前記光学媒体が液晶であり、
前記液晶を挟持する２つの透明基板を有する
請求項７に記載の光学定数測定装置。
【請求項９】
前記光源からの光を前記液晶に入射する直線偏光に変換する偏光手段と、
前記液晶の分子の方向を同一方向に揃える１対の配光板と
を有する
請求項８に記載の光学定数測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光透過性媒体の光学定数を測定する方法および光学定数測定装置に関し、特に、液晶表示素子やエレクトロルミネッセンス表示素子等の光透過スペクトルが色度に作用するような光学素子を設計製造する際に必須となる光透過性媒体の光学定数測定方法および測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
情報や映像の表示素子は、従来のブラウン管に加えて、液晶表示素子やプラズマ放電によるプラズマ表示素子、エレクトロルミネッセンス表示素子等の平面型表示素子が急速に普及しつつある。特に液晶表示素子は小型携帯機器用モニターから３０型級のテレビに至るまで幅広く浸透している。液晶表示素子の場合、その情報表示の原理は背面に冷陰極管または発光ダイオードによる白色光源を配置し、液晶表示パネルが液晶分子配列の変化により光学シャッターとして機能することによる。
【０００３】
液晶表示パネルは、規則的な分子配向をした液晶を２枚のガラス基板で挟持し、更に外側両面に有機フィルムを基体とした偏光板とを配置して構成される。更に表示性能を向上せしめるためには、縦横に交差する配線群の交差点である画素毎に液晶に電圧を印加するための薄膜トランジスタを設けられている。これは一般にアクティブマトリクス方式の液晶表示素子と称されている。
このアクティブマトリクス方式の液晶表示素子においては、トランジスタを製造工程で窒化シリコンや有機平坦化膜、透明導電性膜のような光透過性多層膜が形成されている。更に液晶を安定に配向させるための配向膜や液晶層自身もまた光透過性膜を構成している。これらの光透過性膜を光が透過すると、その透過光スペクトルは各々の膜の光学定数と設定膜厚、膜の構成順序に関わっており、画質に重大な影響を与える。例えば、多重反射による振動や波長領域間での透過率バランスが崩れると、透過率全般が低下し、色度ひずみ等の問題が生じてくる。
したがって、表示パネルの設計・製造過程で各構成膜の透過率を把握しておくことは重要である。そのために、各構成膜の透過率を算出するのに用いる光学定数を精度良く測定する必要がある。例えば、光学媒体の屈折率と減衰係数は光学媒体の透過率の算出に用いられている。
【０００４】
光学定数の従来の測定・抽出方法は、大きく分けると偏光解析法と多重反射干渉法とがある。
偏光解析法は、直線偏光を測定対象となる膜面に斜めに入射し、反射する光の偏光が楕円偏光となる性質を利用し、その偏光の傾きと楕円率とを測定することにより屈折率と減衰係数とを求めるものである。単一波長での測定は勿論できるが、光源の波長を変えることにより波長域に亘る屈折率と減衰係数を求める分光偏光解析法もある。
【０００５】
一方、多重反射干渉法は、透過率と反射率の測定から屈折率と減衰係数を求める方法である。この方法は比較的容易に行なえるため普及している。
例えば、特許文献１は多重反射干渉法に関する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−３１８３２１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、偏光解析法は、膜内での多重反射を考慮できない他に、測定条件設定が難しい点が問題である。また、測定量は反射光であるために試料表面の粗さによる精度の低下も起きる。また、偏光解析法では、多くの演算が必要であり、測定値から直接に屈折率と減衰係数を得ることができない。具体的に、偏光解析法では、まず測定された偏光の傾きと楕円率のデータをフィッティングし、フィッティング関数を得る。次に、複雑なフィッティング関数にある多くのパラメータを制約し、屈折率と減衰係数を導出する。この方法では、特に波長域に亘る屈折率と減衰係数の分散を求める場合は、データ解析が非常に複雑である。
また、表示装置に使う光媒体の透過率を見積もる時に、以上のように偏光の傾きと楕円率から屈折率と減衰係数を抽出し、抽出された屈折率と減衰係数から透過率を計算すると言う間接的な方法では、通常求められた透過率の誤差が大きい。
【０００８】
一方、多重反射干渉法では、有効な反射率を得るために光を斜めから入射させる必要があるため、その角度設定と表面粗さによる反射率への影響が精度を落とす要因となる。
多重反射干渉法は、精度に関して許容範囲を広げれば特定の波長での屈折率と減衰係数を得るには十分実用的な方法であるが、連続した波長領域でこれらの値を求めようとすると、測定値が凹凸しながら分布するために屈折率と減衰係数の波長依存性はノイズの多い分布を示し、この値をもとにさまざまな膜厚条件での透過率を計算しようとする際、信頼性を欠いたものとなっていた。
【０００９】
さらに、上記に述べた偏光解析法と多重反射干渉法は、固体薄膜を前提にしているので、液晶材料のような液体の場合、ガラス等で挟持しないと媒体を薄膜状に固定できないため測定原理上適用できない。このような系に対してはアッベの屈折計のような計測器があるが、屈折率しか測定できない上に特定波長に限られていた。
【００１０】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされ、その目的は、光学媒体の状態によらずに、光透過性媒体の光学定数を容易に且つ高精度で測定する光学定数測定方法及び光学定数測定装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学定数測定方法は、所定の光学媒体で形成され、厚さが異なる少なくとも２つの光透過体に光を照射し、各々の前記光透過体の前記照射された光に対する透過率を測定する第１の工程と、測定された各々の前記光透過体の透過率より、前記光学媒体の光学定数を求める第２の工程とを有する。
前記第２の工程において、前記光学媒体の光学定数の波長分散近似式を用い、測定された前記各々の光透過体の透過率より、前記光学媒体の光学定数を求める
【００１２】
前記第１の工程において、前記各々の光透過体を、少なくとも１つの透明基板で支持する。
【００１３】
前記第１の工程において、前記光学媒体に光学的異方性を有する光学媒体を用い、直線偏光を前記各々の光透過体に照射し、前記光学媒体の光学的異方性に応じた複数の方向における前記各々の光透過体の透過率を測定し、前記第２の工程において、測定された前記各々の光透過体の前記複数の方向における透過率より、前記複数の方向における前記光学媒体の光学定数を求める。
【００１４】
前記第１の工程において、前記光学媒体に液晶を用い、前記液晶を２つの透明基板で挟持し、前記２つの透明基板の間隔を変更することにより厚さの異なる少なくとも２つの前記光透過体を作製する。また、前記第１の工程において、前記液晶の分子の方向を同一方向に揃える。
【００１５】
本発明の光学定数測定装置は、測定対象である光透過体に光を照射する光源と、前記光透過体を透過する透過光を測定する光測定器と、前記光測定器に測定された前記透過光から、前記光透過体の光透過率を求める制御部とを有し、前記制御部は、同じ光学媒体で形成された少なく２つの厚さの異なる光透過体の光透過率から、前記光学媒体の光学定数を求める。
【００１６】
前記光学媒体が液晶であり、前記液晶を挟持する２つの透明基板を有する。
前記光源からの光を前記液晶に入射する直線偏光に変換する偏光手段と、前記液晶の分子の方向を同一方向に揃える１対の配光板とを有する。
【００１７】
２つの未知変数、例えば、屈折率と減衰係数を求めるためには２つの独立な情報が必要である。前述した偏光解析法では、偏光の傾きと楕円率を用い、多重反射干渉法では、透過率と反射率を用い、屈折率と減衰係数を求めた。これら従来の方法と異なり、以上に述べた請求項１に係る発明の光学定数測定方法によれば、同じ光学媒体材料、異なる厚さの２つ以上の試料の透過率を測定し、この測定された２つ以上の透過率を用い、光学媒体の光学定数、例えば、屈折率と減衰係数を求める。
透過率のみを測定するので、同じ測定装置と解析方法で光学定数を導出でき、測定は容易となる。透過率の測定では、光の垂直入射が可能であるので、表面粗さに影響されず、高精度で光学定数を求める。
請求項３に係る発明によれば、測定される試料は例えば透明基板に挟持されている。透過率のみを測定するので、測定される透明基板と試料を透過する透過光から、試料を構成する光学媒体の光学特性の情報を抽出できる。これによって、液体状態の光学媒体について例えば透明基板で挟持すれば測定が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の光学定数を測定する方法及び測定装置の実施の形態について、添付した図面を参照して説明する。次に述べる実施形態では、光学媒体の光学定数として屈折率と減衰係数を透過率の測定値より求める例を用いて説明する。
第１の実施の形態
屈折率と減衰係数という２つの未知変数を求めるためには２つの独立な情報が必要である。本実施形態では、同じ光透過性媒体で形成した、厚さの異なる例えば２つの薄膜試料の分光透過率を測定し、屈折率および減衰係数の波長分散近似式により、該光透過性媒体の屈折率および減衰係数を求める。２つの膜厚の異なる薄膜の透過率の測定値は、光学媒体の屈折率と減衰係数という２つの未知変数を求めるための独立な情報となる。
【００１９】
図１（ａ）は、本実施形態の光学定数測定装置１の概略構成を示す図である。
図１（ａ）に示す光学定数測定装置１は、例えば、光源２と、レンズ３と、レンズ４と、分光器５と、処理装置６とを有する。例えば測定対象となる固体の薄膜７ａが光源２と分光器５の間に配置され、光学定数測定装置１は、薄膜７ａを形成する光学媒体の光学定数（ここで、屈折率と減衰係数）を測定する。通常、薄膜７ａは、薄膜７ａをサポートする、例えば、ガラス基板からなる透明基板８ａに設けられる。勿論、固定状態の薄膜７ａはセルフサポートできる場合は、透明基板８ａを使わなくても良い。
【００２０】
光源２は、例えば、ハロゲンランプであり、４００ｎｍ〜７００ｎｍ波長領域の光を発光する。
レンズ３は、光源２から発された光を薄膜７ａに垂直に照射するように集光する。
レンズ４は、薄膜７ａと透明基板８ａを透過する透過光を集光し、分光器５に入射させる。
分光器５は、例えば、汎用的な分光透過率測定器であり、入射される透過光を分散し、一定の波長領域に亘って、各波長での光強度を光検出器によって測定する。
処理装置６は、例えば、分光器５から入力される測定結果を解析し、また、光学定数測定装置１全体を制御するコンピュータシステムである。処理装置６では、例えば、分光器５から入力される透過光強度の測定結果を、光源２から薄膜７ａに入射する光の強度と比較して透過率を導出する。
光学定数測定装置１では、光透過率のみを測定するので、光の垂直入射が可能である。これによって、光透過率の測定は、薄膜７ａの表面粗さにあまり影響されない。
【００２１】
図１（ｂ）は、２つ目の薄膜試料７ｂ及び該薄膜７ｂを形成した透明基板８ｂを示す。薄膜７ｂは、薄膜７ａと同じ光学媒体で形成され、膜厚は薄膜７ａと異なる、これにより、薄膜７ｂと薄膜７ａとの光透過率は異なる。
薄膜７ａの透過率の測定を終了した後に、薄膜７ａと透明基板８ａに代わって、薄膜７ｂ及び透明基板８ｂを設置し、薄膜７ｂの透過率を測定する。
測定された薄膜７ｂと薄膜７ａとの光透過率は、光学媒体の屈折率と減衰係数を決める２つの独立な情報として用いる。
２つの測定量は共に透過率であるので、同じ測定系で測定が可能になり、測定は簡単になる。
【００２２】
以降、しばしば２つの薄膜７ａと７ｂに参照番号７を用い、透明基板８ａと８ｂに参照番号８を用いることがある。
薄膜７の光透過率を得るために、透過光に含まれる透明基板８に関わる部分を考慮する必要がある。
図２（ａ）と（ｂ）は、透明基板８に設けられた薄膜７の光透過率の測定方法を示している。
ここで、薄膜７を形成する光学媒体の一例として、窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜を用い、窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜の屈折率ｎと減衰係数ｋを導出する方法を述べる。
【００２３】
薄膜７を透明基板８に形成してその透過率を測定するために、まず、透明基板８単体の透過率を測定する。そのため、図２（ａ）に示すように、まず、光源２からの入射光（強度分布Ｉｉｎ（λ））を透明基板８単体に垂直に入射させる。透明基板８を透過した出射光は分光器５で分光され、強度分布Ｉｏｕｔ０（λ）が測定される。透明基板８の透過率Ｔ０ｅｘｐ（λ）は出射光の強度Ｉｏｕｔ０（λ）と入射光の強度Ｉｉｎ（λ）の比となる。
通常、透明基板８の厚さが薄膜７よりはるか厚いので、透明基板８での多重反射を無視できる。また、透明な材料で形成されているので、透明基板８内の光吸収（減衰係数）も無視できる。
測定された透明基板８の透過率Ｔ０ｅｘｐ（λ）の透過率は、後述の抽出された光学定数を検証することに用いることができる。
【００２４】
続いて、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて、２つの同じ材質の透明基板上に窒化珪素をそれぞれ１５０ｎｍ、３００ｎｍの膜厚になるように製膜し、薄膜７ａと７ｂをそれぞれ形成する。薄膜７ａと７ｂの膜厚を例えば触針式段差計にて確認する。
図２（ｂ）に示すように、光源２からの光を薄膜７と透明基板８に垂直に入射させ、分光器５は薄膜７と透明基板８を透過した出射光Ｉｏｕｔ（λ）の分布を測定する。図２（ｂ）において、透過率のＴｅｘｐ（λ）は、式１のように、出射光の強度Ｉｏｕｔ（λ）と入射光の強度Ｉｉｎ（λ）の比となる。
【００２５】
【数１】
2004163299.tif 000003
【００２６】
２つの薄膜７ａと７ｂについて、以上のようにそれぞれの透過率Ｔ１ｅｘｐ（λ）とＴ２ｅｘｐ（λ）を測定する。測定された透過率Ｔ１ｅｘｐ（λ）とＴ２ｅｘｐ（λ）から、窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜の屈折率ｎと減衰係数ｋを導出する。
次に、分光透過率Ｔ（λ）、屈折率ｎ、減衰係数ｋの理論計算方法を説明する。
窒化珪素膜の屈折率ｎを式２、減衰係数ｋを式３のような波長λのべき級数（Ｃａｕｃｈｙの式）、いわゆる波長分散近似式で表わす。
【００２７】
【数２】
2004163299.tif 000004
【数３】
2004163299.tif 000005
ここで、ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４は未知係数である。
【００２８】
理論上には、分光透過率Ｔ（λ）は式４のように規定される。
【数４】
2004163299.tif 000006
【００２９】
式４において、
【数５】
2004163299.tif 000007
【００３０】
【数６】
2004163299.tif 000008
【００３１】
【数７】
2004163299.tif 000009
【００３２】
【数８】
2004163299.tif 000010
【００３３】
【数９】
2004163299.tif 000011
【００３４】
【数１０】
2004163299.tif 000012
【００３５】
式５〜式１０において、ｎ０は空気の屈折率、ｎｂは透明基板８の屈折率、ｋｂは透明基板８の減衰係数、ｄは薄膜７の膜厚である。ｎ、ｋは、式２と式３で定義された薄膜７の屈折率と減衰係数である。ここで、透明基板８は膜厚が充分大きく、減衰係数ｋｂも小さいものを使用しているとする。
即ち、分光透過率の理論値Ｔ（λ）は、屈折率ｎと減衰係数ｋの関数で規定される。
【００３６】
以降、式４〜式１０で規定された分光透過率の理論値をＴｃａｌ（λ）と記す。
Ｔｃａｌ（λ）の計算式に式２と式３で表わされるｎとｋが含まれているので、Ｔｃａｌ（λ）の計算式に未知係数ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４が含まれている。これら未知係数は、薄膜７ａと７ｂのそれぞれの透過率の計算値Ｔ１ｃａｌ（λ）、Ｔ２ｃａｌ（λ）と測定値Ｔ１ｅｘｐ（λ）、Ｔ２ｅｘｐ（λ）を比較して決められる。これら未知係数を式２と式３に代入すれば、薄膜７ａと７ｂの屈折率ｎと減衰係数ｋが得られる。
【００３７】
次に、図３のフローチャートを用い、未知係数ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４を求める方法を説明する。
ステップＳ１：
式２と式３に、未知係数ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４には適当な初期値を与え、屈折率ｎと減衰係数ｋの初期値を得る。
ステップＳ２：
式４〜式１０を用い、薄膜７ａと薄膜７ｂのそれぞれの透過率を計算し、薄膜７ａと薄膜７ｂのそれぞれの透過率の計算値Ｔ１ｃａｌ（λ）、Ｔ２ｃａｌ（λ）を得る。
【００３８】
ステップＳ３：
薄膜７ａと薄膜７ｂの透過率の測定値Ｔ１ｅｘｐ（λ）、Ｔ２ｅｘｐ（λ）と計算値Ｔ１ｃａｌ（λ）、Ｔ２ｃａｌ（λ）を比較し、式１１で規定した計算値と測定値の差を計算する。式１１において、Ｎは異なる波長領域における透過率測定値の個数を表わす。式１１によって、該Ｎ個の測定値と計算値との差の二乗平均値を求める。
【００３９】
【数１１】
2004163299.tif 000013
【００４０】
式１１で規定した差の指標σは所定の許容誤差より大きければ、ステップＳ４に進む。
式１１で規定した差の指標σは所定の許容誤差より充分小さければ、計算値Ｔ１ｃａｌ（λ）、Ｔ２ｃａｌ（λ）は測定値Ｔ１ｅｘｐ（λ）、Ｔ２ｅｘｐ（λ）と一致するとし、係数ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４の現在の値を式２と式３に代入し、薄膜７ａと７ｂを構成する窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜の屈折率ｎ、減衰係数ｋの波長分散を求め、計算を終了する。
【００４１】
ステップＳ４：
式１１で規定した差の指標σは所定の許容誤差より大きければ、σの現在の値に基づいて、式２と式３での未知係数ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４を新たな値に設定し、ステップＳ２に戻り、式１１で規定した指標が充分小さくなるまでステップＳ２、Ｓ３、Ｓ４を繰り返す。
これによって、窒化珪素（ＳｉＮｘ）膜の屈折率ｎと減衰係数ｋが導出される。
【００４２】
図４は、光学定数測定装置１を用い光学媒体の屈折率ｎと減衰係数ｋを測定するフローチャートである。
ステップＳ１１：
まず、薄膜７ａを透明基板８ａに設け、光源２と分光器５の間の適切な位置に設置する。光源２が薄膜７ａに照射し、分光器５は薄膜７ａと透明基板８ａを透過する透過光を測定し、第１の透過率測定値Ｔ１ｅｘｐ（λ）を測定する。
ステップＳ１２：
次に、薄膜７ｂを透明基板８ｂに設け、光源２と分光器５の間に設置し、第２の透過率測定値Ｔ２ｅｘｐ（λ）を測定する。
ステップＳ１３：
２つの測定値Ｔ１ｅｘｐ（λ）とＴ２ｅｘｐ（λ）を、式４〜式１０を用いて得られた透過率の計算値Ｔ１ｃａｌ（λ）とＴ２ｃａｌ（λ）と比較し、その差は充分小さくなるように、未知係数を決める。その未知係数を用いて、光学媒体の屈折率ｎと減衰係数ｋを導出する。
【００４３】
従来の偏光解析法は反射光の測定により、光学媒体の屈折率ｎと減衰係数ｋを抽出するので、光学媒体の表面粗さにより偏光の傾きと楕円率の測定誤差が生じる。これによって、従来の偏光解析法を用い偏光の傾きと楕円率を測定し、屈折率ｎと減衰係数ｋを抽出し、それらを用いて計算した光学媒体の透過率は、光透過率の測定値との誤差が大きい。
図５は、従来の方法による光学媒体の光透過率の計算値と測定値を比較する例を示す図である。ここで、２３０ｎｍの窒化珪素膜を例にする。
図５において、横軸が波長、縦軸が光学媒体の透過率を示す。実線は、従来の偏光解析法によって抽出された窒化珪素膜の屈折率ｎと減衰係数ｋを用い、式４〜式１０で計算された、膜厚が２３０ｎｍの窒化珪素膜の分光光透過率を示し、破線は、膜厚が２３０ｎｍの窒化珪素膜の分光透過率の測定値を示す。
図５に示すように、波長が５００ｎｍの領域に、２３０ｎｍの窒化珪素膜の透過率の計算値は測定値との誤差が大きい、最大誤差は０．７８％である。
【００４４】
図６は、本発明の光学定数測定方法による光学媒体の光透過率の計算値と測定値を比較する例を示す図である。ここの光学媒体も２３０ｎｍの窒化珪素膜であるとする。
図６において、図５と同じように、横軸が波長、縦軸が光学媒体の透過率を示す。実線は、本発明の光学定数測定法で抽出された窒化珪素膜の屈折率ｎと減衰係数ｋを用い、式４〜式１０で計算された膜厚が２３０ｎｍの窒化珪素膜の光透過率を示し、破線は、実際に測定した膜厚が２３０ｎｍの窒化珪素膜の光透過率を示す。
図６に示すように、本発明の光学定数測定法で求められた光透過率は、実際に測定された光透過率との誤差が０．１４％となっており、大きく改善された。
本発明では透過率を基にして屈折率ｎと減衰係数ｋを抽出し、透過率を計算するので、以上に示すように、精度を大きく改善できる。
【００４５】
本実施形態によれば、膜厚の異なる複数の試料を用意し、それぞれの透過率を測定し、屈折率ｎと減衰係数ｋを抽出する。これにより、光の垂直入射が可能になり、光学媒体の表面粗さの影響を大きく抑制することができる。また、透過率のみを測定するため、同じ測定系で光学定数の抽出が可能になり、装置と解析が容易になり、余計の誤差を導入しない。たとえば、汎用な分光透過率測定器で足りる。
また、実際に使われる光学媒体の光透過率を見積もる時に、本実施形態では、試料の透過率の測定値から直接に実際に使われる光学媒体の透過率を計算するので、解析は簡単であり、余計の誤差を導入せず、光学媒体の透過率を高精度でかつ容易に求められる。
【００４６】
この方法は特に媒体が蒸着やスパッタリング法などで形成された場合、その膜厚が変わることで光学定数も変わる場合に、任意の膜厚での光学定数を定めるのに有効である。測定で得られた結果から波長分散近似式により屈折率と吸収係数とを定めることは、波長依存性を滑らかたらしめ、これらの光学定数から設計・製造に必要な光学データを算出するのにノイズのない安定かつ信頼性のある結果を得ることができる。近似式に含まれる媒介変数の数や近似式の種類を変更すればより一層、媒体の種類や必要とされる精度に応じた光学定数の抽出が可能である。
【００４７】
第２の実施の形態
次に、本発明に係る光学定数測定装置の他の実施形態を説明する。
前述したように、本発明に係る光学定数測定方法によれば、測定量として試料の透過率を用いるので、試料を例えば透明基板で挟持されても、測定された透過光から光学媒体の透過率を導出することができる。これによって、液体状態の光学媒体を例えば透明基板で挟持して光学定数の測定が可能となる。なお、従来の方法では液体状態の光学媒体について測定不可能であった。
本実施形態においては、液体状態の光学媒体の測定の例として、表示装置に用いられる液晶材料の光学定数の算出方法を述べる。
【００４８】
前述したように、液晶表示装置を構成する液晶表示素子において、透明導電性膜や、液晶を安定に配向させるための配向膜、液晶層などにより、光透過性多層膜が形成されている。これらの光透過性膜を光が透過する時の透過光スペクトルは、各々の膜の光学定数と設定膜厚、膜の構成順序に関連し、表示装置の画質に直接に影響する。そのため、表示パネルの設計・製造過程で、各構成膜の透過率を精確に把握することは重要である。各構成膜の透過率を精確に把握するには、表示パネルを製造した後に透過率を実測するより、各構成膜の光学定数を用い、透過率を理論計算によって精確に求めることは有効である。従って、各構成膜の光学定数を精確に測定し、それらを用い各構成膜の透過率を計算する方法は採られている。
【００４９】
本実施形態では、液晶層の透過率を計算するために必要な液晶材料の光学定数の測定方法を説明する。具体的に、液晶材料の屈折率ｎと液晶材料において光の減衰係数ｋを測定する。
第１の実施形態と同様に、屈折率ｎと減衰係数ｋという２つの未知変数を求めるためには２つの独立な情報が必要である。本実施形態では、２つの透明基板に挟持された層状の液晶を２種類用意する。この２種類の液晶層の厚さが異なる。この２種類の液晶層の分光透過率を測定し、得られた２つの透過率は、液層の屈折率と減衰係数を求めるための独立な情報となる。なお、液晶の屈折率および減衰係数を求める時に、第１の実施形態と同様に、屈折率および減衰係数の波長分散近似式を用いる。
【００５０】
本実施形態の光学定数測定装置の構成は、第１の実施形態と同じである。ただし、測定対象となる液晶試料を挟持する例えばガラス基板からなる透明基板は２枚がある。また、液晶は光学的な異方性を持っているので、異方性が現れる複数の方向で光学定数を測定するのとが必要である。そのため、液晶に照射する直線偏光を生成する偏光板が必要となる。
図７は、本実施形態の光学定数測定装置１０の概略構成を示す図である。図１０において、図１と同じ構成に同じ参照番号を用いる。
本実施形態の光学定数測定装置１０は、図７に示すように、光源２と、レンズ３と、偏光板９と、レンズ４と、分光器５と、処理装置６とを有する。測定対象となる液晶試料１５及びそれを挟持する透明基板１１と透明基板１４が光源２と分光器５の間に配置されている。
偏光板９は、光源２からの光を直線偏光に変換し、液晶に入射する。
【００５１】
図８（ａ）と（ｂ）は、透明基板１１と１４が液晶１５を挟持した多層構造の詳細を示す。この多層構造は光学定数を測定する対象となる。図８（ｂ）は、図８（ａ）での液晶分子の配向方向を９０度変更した液晶試料を示す。図８（ｃ）は、図８（ａ）と（ｂ）で使われる座標系を定義する。
図８（ａ）と（ｂ）に示すように、例えば、２枚の例えばガラス基板からなる透明基板１１と１４に、ポリイミドからなる配向膜１２と１３が成膜され、配向膜１２と１３を成膜した透明基板１１と１４を貼り合わせたパネルに液晶材料１５が封入されている。
【００５２】
液晶分子の配向方向を規則正しく揃えるために、配向膜１２と１３の処理及び透明基板１１と１４の重ね合わせ方は、図８（ａ）と（ｂ）において液晶の分子同士が互いに平行に並ぶようにする。図８（ａ）で液晶分子の長軸１６ａと１６ｂがｙ軸方向に平行、図８（ｂ）で液晶分子の長軸１７ａと１７ｂがｘ軸方向に平行となっている。
なお、図８（ａ）と（ｂ）に示す多層構造は、例えば２セットを用意し、透明基板１１と１４の基板間距離が、例えば、それぞれ２μｍと４μｍとする。即ち、２つの液晶層１５の厚さはそれぞれ２μｍと４μｍである。
このような２つの多層構造は、光源２と分光器５の間に配置され、図８（ａ）と（ｂ）に示すように、入射光２０は入射され、２つの多層構造及び液晶層の透過率を測定する。
【００５３】
２つの厚さの液晶層の透過率の測定により液晶の屈折率と減衰係数ｋを抽出する方法は、基本的に第１の実施形態と同様である。
即ち、光源２からの入射光２０を液晶１５、透明基板１１、１４などの多層構造に垂直に入射させ、分光器５は出射光の分布Ｉｏｕｔ（λを測定する。透過率のＴｅｘｐ（λ）は、式１のように、出射光の強度Ｉｏｕｔ（λ）と入射光の強度Ｉｉｎ（λ）の比となる。２つの厚さの液晶層について、それぞれの透過率Ｔ１ｅｘｐ（λ）とＴ２ｅｘｐ（λ）を測定する。Ｔ１ｅｘｐ（λ）とＴ２ｅｘｐ（λ）から、液晶１５の屈折率ｎと減衰係数ｋを導出する。第１の実施形態と同じように、液晶１５の分光透過率Ｔ（λ）、屈折率ｎ、減衰係数ｋを式２〜式１０で表わされる。
【００５４】
式４〜式１０で規定した透過率の理論値Ｔ１ｃａｌ（λ）とＴ２ｃａｌ（λ）と測定値Ｔ１ｅｘｐ（λ）とＴ２ｅｘｐ（λ）を比較し、式２と式３での未知係数ａ１、ａ２、ａ３、ａ４、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４を決めることができる。これら未知係数を式２と式３に代入すれば、液晶１５の屈折率ｎと減衰係数ｋが得られる。
具体的手順は、図３のフローチャートで示されたものと同じである。
【００５５】
しかし、液晶１５の分子は長軸と短軸方向では光学定数が異なり、液晶表示素子の光学特性を決定する重要な因子となっている。そのため、分子の長軸、短軸に対して平行な偏光を入射させて分光透過率測定を行い、各軸方向の光学定数抽出を行う。
例えば、図７において、偏光板９は光源２からの光を直線偏光に変換し、液晶１５に入射する。該直線偏光は図８に示す入射光２０として用いる。直線偏光２０をｘ軸に平行に入射させる事により、図８（ａ）と（ｂ）では、液晶分子の短軸、長軸方向の透過率測定をそれぞれ行なう。
【００５６】
従来の液晶材料の光学定数抽出法は、アッベの屈折率計という特殊な測定機器を要し、且つ各波長における値を求める際には、各々の波長に対応する光源を別個に用意する必要がある。それに対して、本発明では汎用的な用途に使用されている分光透過率計に偏光板を付加配設する事により、任意の波長範囲における光学定数抽出が可能である。
厚さの異なる試料の透過率を測定量とし、屈折率ｎと減衰係数ｋを抽出するので、光の垂直入射が可能になり、また、同じ測定系で光学定数の抽出が可能になり、装置と解析が簡単になり、余計の誤差を導入しない。また、液晶表示素子において液晶の光透過率を見積もるために、本実施形態では、試料となる液晶の透過率の測定値から直接に液晶表示素子における液晶層の透過率を計算するので、解析は簡単であり、余計の誤差を導入せず、光学媒体の透過率を高精度でかつ簡単に求められる。
【００５７】
図９は、従来の方法による抽出した屈折率ｎと減衰係数ｋを用い、他の任意厚さの液晶の光透過率の計算値と測定値を比較する例を示す図である。
図８において、横軸が波長、縦軸が液晶の透過率を示す。曲線ｐは実際に測定した液晶層の光透過率を示し、曲線ｑ１は従来方法によって抽出された液晶の屈折率ｎと減衰係数ｋを用い、式４〜式１０で計算された液晶の光透過率を示す。
図９に示すように、全波長領域において、計算値と光透過率がすれており、最大誤差が１．４６％であった。
【００５８】
図１０は、本発明の方法により抽出した屈折率ｎと減衰係数ｋを用い、他の任意厚さの液晶の光透過率の計算値と測定値を比較する例を示す図である。
図１０において、横軸が波長、縦軸が液晶の透過率を示す。曲線ｐは液晶層の光透過率の測定値を示し、曲線ｑ２は本発明の方法によって抽出された液晶の屈折率ｎと減衰係数ｋを用い、式４〜式１０で計算された液晶の光透過率を示す。
図１０に示すように、図９に比べれば、全波長領域において、計算値と光透過率が良く一致している。最大誤差が０．３４％となり、大幅に改善された。
即ち、本発明では透過率を基にして屈折率ｎと減衰係数ｋを抽出し、透過率を計算するので、精度を大きく改善できる。これらの結果より、本発明により、実測に対する計算精度の向上が確認できる。
【００５９】
本実施形態によれば、厚さの異なる複数の試料を用意し、汎用的な分光透過率測定器を用いるだけで固体薄膜のみならず、液晶のような液体の光学定数に至るまで同じ測定環境で容易に高精度で抽出できる。
透過率のみを測定するので、光の垂直入射が可能であり、また、同じ測定系で光学定数の抽出できるので、装置と解析が容易であり、余計の誤差を導入しない。また、光学媒体の光透過率を見積もる時に、試料の透過率の測定値から光学媒体の透過率を計算すると言う直接的な方法になっているので、解析は簡単であり、余計の誤差を導入せず、光学媒体の透過率を高精度でかつ容易に求められる。
【００６０】
以上、本発明を好ましい実施の形態に基づき説明したが、本発明は以上に説明した実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の改変が可能である。
たとえば、液体の場合に、基本的に透明基板が２つの充分であるが、必要な場合に２つ以上に用いても良い。
また、以上の実施形態では、複数の透過率の測定値を用い、光学定数として屈折率と減衰係数を抽出する方法を述べたが、透過率の測定値を他の光学定数の抽出に用いることはいうまでもない。
また、以上の実施形態では、抽出された屈折率と減衰係数などの光学定数は、光学媒体の透過率の計算に用いた例としたが、本発明によって抽出された光学定数を他の量の計算に用いても何の支障もない。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、膜厚の異なる複数の試料を用意し、それぞれの透過率を測定し、屈折率ｎと減衰係数ｋを抽出する。透過率のみを測定するので、同じ測定系で光学定数の抽出でき、装置と解析が簡単であり、誤差を小さく抑制することができる。また、光の垂直入射が可能であるので、試料の表面粗さの影響を大きく抑制することができる。また、汎用的な分光透過率測定器を用いるだけで測定できる。
また、実際に使われる光学媒体の光透過率を見積もる時に、試料の透過率の測定値から実際に使われる光学媒体の透過率を計算するので、解析は簡単であり、誤差を小さく抑えられ、光学媒体の透過率を高精度でかつ容易に求められる。
さらに、試料の透過率を測定量としているので、試料を挟持する透明基板を設けても、試料の透過率を導出することが可能である。これによって、固体のみならず、液体状態の光学媒体でも光学定数の抽出が可能となる。
【００６２】
この方法は特に媒体が蒸着やスパッタリング法などで形成された場合、その膜厚が変わることで光学定数も変わる場合に、任意の膜厚での光学定数を定めるのに有効である。
測定で得られた結果から波長分散近似式により屈折率と減衰係数とを定めることは、波長依存性を滑らかたらしめ、抽出したこれらの光学定数から算出した設計・製造に必要な例えば分光透過率などの光学データは、ノイズのない滑らかな曲線を再現することができ、安定かつ信頼性のある結果を得ることができる。近似式に含まれる媒介変数の数や近似式の種類を変更すれば、任意の設計膜厚に対しても同様の精度で計算結果が得られ、より一層媒体の種類や必要とされる精度に応じた光学定数の抽出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学定数測定装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態において、透過率の測定方法を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態において、光学定数を算出する方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る光学定数測定装置を用い光学定数を測定する方法を示すフローチャートである。
【図５】従来の方法による光学媒体の光透過率の計算値と測定値を比較する例を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る光学定数測定方法による光学媒体の光透過率の計算値と測定値を比較する例を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る光学定数測定装置の概略構成図である。
【図８】本発明の第２の実施形態において、測定対象となる液晶を含むパネルの構成を示す図である。
【図９】従来の方法による液晶の光透過率の計算値と測定値を比較する例を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る光学定数測定方法による液晶の光透過率の計算値と測定値を比較する例を示す図である。
【符号の説明】
１…光学定数測定装置、２…光源、３…レンズ、４…レンズ、５…分光器、６…処理装置、７ａ、７ｂ…薄膜、８ａ、８ｂ…透明基板、９…偏光板、１０…光学定数測定装置、１１…透明基板、１２、１３…配向膜、１４…透明基板、１５…液晶、１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ…配向方向、２０…入射光。
【図１】
2004163299.tif 000014
【図２】
2004163299.tif 000015
【図３】
2004163299.tif 000016
【図４】
2004163299.tif 000017
【図５】
2004163299.tif 000018
【図６】
2004163299.tif 000019
【図７】
2004163299.tif 000020
【図８】
2004163299.tif 000021
【図９】
2004163299.tif 000022
【図１０】
2004163299.tif 000023