专利名称：：使用了分光器的相位差测量装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及相位差测量装置，尤其涉及能够高精度地确定小的相位差的相位差测量装置。
背景技术：
：在评价液晶显示器(LCD)用的相位差薄膜或光盘、塑料等光学元件的品质管理等中，正在使用相位差测量装置。以往的相位差测量装置主要进行使用了单色光的测量，但近年来尤其是像LCD这样重视整个可见光区域内的特性，因此测量相位差对波长的依存性的要求不断增强。相位差通过使用偏振光分析测量法的偏振光分析来测量能够精度良好地测量。但是，偏振光分析测量法需要使偏振器或补偿器高速旋转的机构或者光弹调制器(PEM)、或者左右圆偏振光外差干涉法等调制偏振光或相位的方法，以及高速运算处理获得的数据的装置，为原理复杂、价格高的方法。并且由于是以单一波长的测量数据为基础的方法，因此在需要测量相位差的波长色散时，由于用单色器等扫描波长，因此存在不能高速地测量的问题。作为廉价的相位差测量装置，我们知道例如像非专利文献1或专利文献1和2所公开的那样使用分光光度计等获得的分光光谱确定相位差的方法。利用该方法能够在必要的波长范围内测量相位差，并且也能够简便地判断相位差的波长色散。但是，原理上由于相位差干涉，需要在测量波长区域内观测分光光谱的波峰和波谷的方法不适合测量小至数十nm左右以下的小相位差。并且，由于普通的分光光度计用单色器扫描波长，因此测量时间也长。West等著JournalofOpticalSocietyofAmerica,vol.39，p.791-794(1949)日本特许第3777659号[专利文献3]日本特公平5-18370号公报
发明内容本发明以提供一种能够简便并且高精度地测量小的相位差的相位差测量装置为课题。艮P，本发明提供以下[1][7]所述的装置。一种相位差测量装置，其包括依次配置有光源、偏振器、试样台、检偏器和分光器的光学系统以及计算单元，在偏振器与检偏器之间配置有波长板，并且在测量波长区域内的2个以上的波长的每一个中，用0.5以上的整数或半整数去除该波长板的延迟值后的值与该波长一致。在[1]所述的相位差测量装置中，上述分光器的用FWHM定义的分辨率F与上述整数或半整数能够获取的最大值nl满足以下条件(B):(B)FXnl《50跳在[1]或[2]所述的相位差测量装置中，上述波长板的延迟值在上述测量波长区域的下限波长入min为3X入min以上。在[1][3]中的任一项所述的相位差测量装置中，上述波长板具备相对于光轴插入和退避的机构。在[1][4]中的任一项所述的相位差测量装置中，上述分光器为包括衍射光栅和一维受光阵列的多通道分光器。—种根据依次配置有光源、偏振器、试样、检偏器和分光器的光学系统中测量到的分光光谱来确定该试样的相位差的方法，包括以下过程-选择在测量波长区域入min入max中存在2个以上的波长入x的波长板，所述波长Ax与0.5以上的整数或半整数nx的积入xnx表示波长板的延迟值；将该波长板配置到偏振器与检偏器之间。在[6]所述的方法中，在测量分光光谱时使上述波长板与试样的光学轴一致或正交。发明的效果采用本发明能提供一种能够简便并且高精度地测量小的相位差的相位差测量装置。图1是本发明的相位差测量中分光光谱的原理图。图2是本发明的相位差测量中对小相位差的试样的分光光谱原理图。图3是表示本发明的相位差测量装置中的光源、偏振器、试样台、检偏器和分光器的优选配置的概略图。图4是本发明的相位差测量装置的概略图。图5是本发明的实施例使用的波长板的相位差的波长色散。具体实施例方式下面详细说明本发明。另外，本说明书中""的意思是其前后记载的数值作为下限值和上限值而使用。本说明书中，存在对角度的记载时，与精确的角度之间的误差在土r的范围之内即可，更优选为在土r的范围之内。0°表示实际上两轴的夹角为平行的状态，90°表示实际上两轴的夹角为正交的状态。平行偏光表示偏振器与检偏器的透射轴的夹角为o°，正交偏光表示偏振器与检偏器的透射轴的夹角为90°，但实际上如后述的测量装置所描述的那样，在本发明的测量装置使用的光学系统中，对于没有试样的状态下的偏振器和检偏器的配置，也有分别将入射光透射率最小的位置和入射光透射率最大的位置作为正交偏光位置和平行偏光位置的情况。本说明书中，所谓"分光光谱"是包括"吸收光谱"、"散射光谱"和"透射光谱"等的意思，优选为透射光谱。下面说明根据分光光谱确定试样的相位差的原理。偏振状态和基于偏振状态的透射率等光学特性可以用琼斯矩阵或穆勒矩阵来描述，但以下用能够考虑偏振光消除程度的穆勒矩阵来说明。如果采用穆勒矩阵，偏振状态用斯托克斯参数描述，通过相位差薄膜或偏振器、检偏器等时各元件的偏振状态的变化用4X4穆勒矩阵描述。首先说明偏振器和检偏器为正交偏光、光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的相位差薄膜的光的透射率。同样，检偏器的穆勒矩阵Ma用公式(2)描述。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>(3)其中，r为用公式(4)表示的值<<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(4)式中Re为上述相位差薄膜的相位差，入为测量波长。当入射光为100%通过偏振器的偏振光时，换言之，使通过偏振器的光为100%时，通过该偏振器一相位差薄膜一检偏器的斯托克斯参数为公式(5):如果以偏振器的透射轴为基准方向(0°)，则偏振器的穆勒矩阵Mp用公式(l)描述。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(5)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>上式中Sout的第一元素为光的透射率。即，光的透射率T(入)用下述公式(6)表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(6)从公式(6)可知，偏振器与检偏器为正交偏光、光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的相位差Re的薄膜的光的透射率T(A)，理论上当Re/入为整数时为0(透射率为0%)，当Re/入为半整数时T(入)为1(透射率为100%)。图1表示Re=2000nm的试样(薄膜)的分光光谱的例子。同样，偏振器与检偏器为平行偏光、光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的相位差薄膜的光的透射率用下式(7)表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(7)从公式(7)可知，理论上当Re/人为整数时，T(A)为0(透射率为0%)，当Re/入为半整数时T(入)为1(透射率为100%)。因此，无论偏振器、试样和检偏器是上述哪种配置，都能够通过读取分光光谱中波谷位置(透射率为0%)的波长和波峰位置(透射率为100%)的波长求出相位差Re的值。[相位差的波长色散]当试样的相位差存在波长色散时，位于分光光谱的波峰和波谷的峰值上的波长与上述理论上说明过的波长存在偏差。例如，如果图1的例中500nm上的相位差为2000nm的话，则如图1所示透射率为0%，但假如400nm上的相位差因波长色散为2200nm的话，则由于是半整数倍，因此透射率为100%，与图1不同。虽然该2200nm是400nm的5.5倍，但由于2000nm的5.5分之一为约363nm，因此具有该波长色散的试样在400nm上看到的波峰的峰值与应该存在于图1的曲线之外的363nm上的波峰的峰值存在大的相位差，因此向波长一侧移动。由于相位差的波长色散能够用柯西色散公式描述，因此通过拟合(fitting)而从透光光谱中求出相位差优选使用柯西色散公式。柯西色散公式一般用于表达折射率的波长依存性(波长色散)，像下式(8)那样描述w(A)-v4+"4"+4(8)、A2A4由于延迟(retardation)是复折射即2个不同的折射率之差乘以试样厚度d，因此与折射率一样可以使用式(9)的柯西色散公式。Re(A)-("lW-"2WV柯西色散公式使用到波长的4次方的情况很多，但为了更简单迅速地拟合，也可以使用到2次方，在精度上需要的情况下，也可以使用到6次以上的偶数次。从精度与速度的平衡性考虑，优选使用到4次方。并且，除了柯西色散公式以外，也可以使用Handbookofoptics(2nded.)，vol.1(McGraw-Hill)中p.33.61—33.84中记载的任意的公式或任意2个以上之和作为相位差的波长色散。[波长板的使用]图2表示Re-100nm的试样(薄膜)的分光光谱的例子。由于试样的相位差这样变小时在测量波长范围内既看不到半整数倍也看不到整数倍，因此光谱中看不到峰值。虽然理论上用观测不到峰值的光谱也能够求出相位差，但实际上由于测量系统的干扰和试样的吸收、散射、偏振光消除等的影响使光谱的绝对值产生变化，因此计算出的相位差的精度受到影响。本发明的装置中为了使测量波长范围内的光谱处于能够观测到峰值的状态，使用波长板。例如，能够插入光学轴与试样的光学轴一致的已知的其中，"A，Rewp表示波长板的相位差。艮卩，光的透射率T(入)用下式(12)表示。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>如从式(12)能够明白的那样，本发明的装置通过波长板来提高相位差。在测量波长范围内检测光谱的峰值，在确定测量到的相位差后减去波长板的相位差就可以计算出试样的相位差。[相位差测量装置]下面说明本发明的相位差测量装置的概要。本发明的相位差测量装置包括光源、偏振器、试样台、检偏器和分光器，它们优选按图3所示的顺序配置。并且，相位差测量装置还包括上述波长板，而且包括作为进行上波长板。光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的波长板的穆勒矩阵Mwp如下式(10)。0、0偏振器与检偏器为正交偏光、具有光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45°角的试样和光学轴相对于偏振器的透射轴倾斜45。角的波长板的光学系统的斯托克斯参数为下式(11)。述修正、拟合等的计算单元的光信号分析装置等。作为计算单元，可以列举在计算机上作为软件的分析方法，用搭载了存储器和运算处理器的专用板分析的方法，或者在峰值等特征的地方挑选人工能够计算的多个点，自我确定相位差使它们的值一致的方法。[光源]光源优选使用白色光源。作为白色光源，只要不是像激光或LED那样波长范围窄，在测量波长范围内具有输出的就可以，没有特别的限制，测量波长范围只要是可见光的一部分就可以，不一定要看起来像白色光。作为这种光源的例子，可以列举卤素灯或氙灯。并且，也可以使多个颜色的光源混色来使用。由于光源的输出随输入的电源或环境温度变化，因此希望电源亮灯后放置20分钟1小时左右后亮度变化在5%/小时以下，为此优选使用电源稳定的装置。[偏振器、检偏器]虽然偏振器不特别需要旋转机构，但如果具有光轴中心的旋转机构的话，由于能够进行全方位角测量，因此比较理想。由于检偏器需要使其透射轴与偏振器的透射轴平行偏光或正交偏光等，因此优选具有光轴中心的旋转机构。由于使用分光器，因此作为偏振器和检偏器希望在较宽的波长区域内具有高的偏振度。由于本发明的相位差测量装置与现有的装置相比不容易影响透射率的绝对值，因此偏振度在95%以上就可以。具有该偏振度的波长区域尤其优选在390800nm的范围内。只要具有该偏振度，偏振器既可以是吸收型偏振器也可以是反射型偏振器，但作为检偏器最好是吸收型偏振器。具体可以列举在较宽的波长区域具有比较高的偏振度的碘系偏振器、使用了双色性色素的双色性色素系偏振器、作为棱镜型偏振器的格兰-汤姆逊(GlanThompson)型偏振器、格兰-泰勒型(Glan-Taylor)偏振器，以及其他的作为偏振器的线状格栅型偏振器、电介质偏振器等，优选波长区域比较宽的碘系偏振器和棱镜型偏振器，尤其优选波长区域更宽并且具有必要的偏振度的碘元素系偏振器。[试样台]偏振器与检偏器之间配置有试样台，试样台优选具有光轴中心的旋转机构，而且，为了测量倾斜入射时的相位差，优选具有使整个试样台旋转的机构。[波长板]波长板既可以配置在试样台的靠偏振器一侧(图4)、也可以配置在靠检偏器一侧。波长板优选具有以光轴为中心的旋转机构和使波长板从光轴上避开的单轴工作台。利用波长板能够测量上述那种相位差小的试样。而且，由于与光源或分光器稍微有点偏振依存性，因此有可能影响光谱的测量，因此可以在光源与偏振器之间以及检偏器与分光器之间插入尽可能在测量波长区域没有吸收性的偏振光消除器。上述波长板在测量波长区域AminAmax内存在2个以上与0.5以上的整数或半整数nX的积AXnX表示波长板的延迟值的波长Ax。即，作为波长板，选择在测量波长区域内的光谱中具有至少一个波峰和一个波谷的波长板。对于满足上述条件的波长板，能够根据波长板的相位差(也可以是不考虑波长色散的值)和测量波长区域如下所述地确定能够获得nx的最大值nl和最小值n2。分别用Amax和Amin中的各波长去除波长板的相位差，将除后的值分别作为nmax和nmin。nl为比nmin小但最接近nmin的整数或半整数。n2为比nmax大但最接近nmax的整数或半整数。这仅与波长板的分光光谱——即用本发明的相位差测量装置测量空气时的分光光谱的存在于测量波长范围的两侧的波峰或波谷的峰值的次数(nx)—致。波长板的n2为0.5以上，优选为1.0以上，更优选为5以上。波长板的相位差一般优选在Amin以上，更优选在AminX3以上，更更优选在入minX5以上。即，当测量波长的区域为400nm时，优选在400nm左右以上，更优选在1200nm左右以上，更更优选在2000nm左右以上。如果波长板的相位差过大，则反而成为问题。在正交偏光的测量过程中，当r为::的偶数倍时，付与波谷的峰值。例如，当r-2n:n时，Re=n入peak。即，峰值位置入peak为公式(13)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>该分光光谱上看到的峰值位置入peak根据因波长导致相位差的变化而移动，但其移动量用公式(14)表示。^f^-丄(14)从公式(14)能够明白，随着n值增大，相位差变化引起的峰值的移动变小。由此可知，如果使用相位差大的波长板，则光谱的移动量变小，测量精度下降。并且，测量精度还依存于分光器的波长分辨率。如果是高波长分辨率的分光器，即使很小的峰值移动也能够十分精确地检测到。分光器的波长分辨率一般用FWHM(FullWidthHalfMaximum,半高全宽)表示，虽然峰值位置检测精度有赖于分光器所使用的检波器的强度分辨率，但能够检测出大约1%。因此，在FWHM为F的分光器使波长板的相位差为特定的测量波长的n倍的情况下，如果该测量波长中相位差的测量精度需要士Anm的话，则光学系统的规格满足公式(15)就可以。FX"AX20Onm(15)例如，如果相位差的测量精度需要士0.25nm的话，则满足FXn《50nm就可以。而且，FXn更优选在30nm以下，最优选在20nm以下。作为装置，最好选择n和nl判断上述公式(15)。如果考虑上述2点和市场销售的分光器的FWHM，优选nl在33以下的波长板，更优选nl在15以下的波长板。但是，如果考虑到市场销售的波长板的厚度等，波长板的相位差一般优选在10000nm左右以下，更优选8000nm左右以下，更更优选6000nm左右以下。作为波长板的材料一般可以列举伸长的聚合物薄膜或水晶、方解石等无机结晶，但由于波长板直接影响测量的相位差的值，因此希望不会轻易因温度或湿度等环境改变而改变。作为这样的波长板的优选例，可以列举用玻璃将水晶、方解石、聚合物伸长薄膜夹在中间的材料。[分光器]作为分光器，只要具有能够在必要的波长范围内分光、具有足够的光强度的分辨率就可以，没有特别的限制。既可以是用单色器扫描的分光器也可以是用一维光电探测器阵列测量被衍射光栅分光的光的多通道型分光器，但优选测量时间短的多通道型。作为分光器强度的分辨率，如果用数字表示优选在8比特以上，尤其优选12比特以上。并且，由于波长分辨率F与相位差的测量精度相对应，因此在FWHM时优选在10nm以下，尤其优选5nm以下。[测量顺序]下面说明测量顺序的一个例子。使入射偏振器的透射轴与整个试样台的旋转轴方向成45°角地固定偏振器。接着，在光轴上没有波长板和试样的状态下使检偏器旋转360。，边用分光器观测透射的光谱，边检测出透射率最小的位置和透射率最大的位置，分别作为正交偏光位置和平行偏光位置。分别将这些时候的分光光谱为0%和100%，校正光学系统，使其能够进行透射率测量，然后使检偏器为正交偏光或平行偏光地配置检偏器。下面说明正交偏光。接着，测量作为标准的波长板的相位差。通过光轴旋转使波长板旋转360°，检测试样的透射率为最小时的角度。然后从最小的角度开始旋转45°(在正交偏光下为亮光位置)，测量分光光谱，这样就能够获得图1所示的光谱。用公式(7)的第一要素对该光谱进行拟合，通过这样能够求出相位差。由于波长板能够使用已知的波长板，因此波长板的滞相轴(在折射率大的轴与光学轴平行或正交)事先已知，因此也可以在从最初开始使滞相轴倾斜45。的状态下测量分光光谱。接着使波长板从光轴上避开，通过光轴旋转使试样旋转360°，检测试样的透射率最小的角度。然后使波长板与滞相轴成45°角将其插入，将试样设定在透射率最小的角度±45°的位置上，测量2个分光光谱。与波长板时一样拟合该分光光谱，由公式(11)能够求出波长板+试样或波长板一试样(与公式(11)一样能够求出偏振器与检偏器为正交偏光、具有滞相轴相对于偏振器的透射轴倾斜一45。角的试样和滞相轴相对于偏振器的透射轴倾斜45。角的波长板的光学系统的斯托克斯参数)的相位差。在±45°这2个配置中，由于获得波长板+试样的配置中波长板与试样的滞相轴一致，由此能够识别试样的滞相轴。通过以上过程能够获得相位差的波长色散和滞相轴的方向。在具有吸收或散射的试样的情况下，也可以在测量了波长板之后使波长板避退，通过旋转光轴使试样旋转360°检测出试样的透射率最小的角度，然后在保持该配置的状态下测量光谱，获得未受相位差影响的分光光谱(吸收、散射光谱)。与上述过程一样，在插入了波长板的状态下求出试样±45°上的分光光谱，在拟合之前用未受相位差影响的分光光谱去除该分光光谱，通过这样能够修正吸收或散射引起的透射率的损失。由此，即使具有吸收或散射的试样也能够精度良好地测量相位差。[修正和拟合的方法〗实际上最好用柯西公式作为相位差的波长色散，再考虑光学系统的干扰等引起的透射率的变化用公式(16)进行拟合。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(16〉Tmax(A)、Tmin(入)为修正透射率的量，既可以是与波长无依存性的常数，也可以是一次式(17)、二次式(18)或指数函数(19)，但在精度上一次式就足够了。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(17)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(18〉<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(19)拟合方法可以使用例如《科学测量用数据处理入门》(南茂夫主编、河田聪编著)中记载的非线性最优化方法或遗传算法等。这些方法中拟合时的初始值非常重要，为了进行精度良好的拟合，最好预先使公式(16)中的C-0、Tmax-l、Tmin=0进行拟合，将其结果作为初始值拟合所有的参数。在拟合过程中，使平方误差为最小的方法是最流行的方法。或者，也可以优选使用由于峰谷的峰值位置重要因此将例如(50—T(入))的平方作为加权函数乘以各波长的平方误差方法，或者因为吸收、散射光谱的透射率高的部分重要因此将例如吸收、散射光谱乘以各波长的平方误差的方法，或者这些方法的组合。即使不按照上述顺序，只要能够获得必要的测量数据，本发明的相位差测量装置并不局限于上述方法。并且，试样或波长板在光轴上的旋转也可以不是360。而是180°。而且，将偏振器配置在45。以外也可以进行测量，偏振器与检偏器不是正交偏光而是平行偏光也可以进行测量。[实施例]下面举实施例更具体地说明本发明。以下的实施例只要不超出本发明的宗旨，可以进行适当的变更。因此，本发明的范围并不局限于以下的具体例子。(相位差测量装置的结构)使用了图4所示结构的相位差测量装置。将偏振器固定成45。角，使用图5所示的具有相位差的水晶板作为波长板。使用卤素灯(EDI100DH，三菱RAYON公司制)作为光源，使用碘系偏振器(HC2-8118，廿yU、乂7公司制)作为偏振器和检偏器，使用光纤型多通道分光器(USB2000，OceanOptics公司制，A/D分辨率12bit，波长分辨率(FWHM)1.5nm)作为分光器。测量波长范围为400700nm。(实施例1、比较例1、2)用n=10测量了550nrn上具有大约入/4相位差的试样。将使用了在550nm上具有约10入延迟的波长板的形态作为实施例1，将使用了在550nm上具有约2入延迟的波长板的形态作为实施例2，将使用了在550nm上具有约A/4延迟的波长板的形态作为比较例1。按上述顺序，使偏振器与检偏器的配置为正交偏光、将波长板和试样的滞相轴设定成与偏振器的透射轴成45°角进行了测量。拟合过程使用公式(16)和公式(17)解出了付与最小平方误差的解。拟合中使用了作为非线性优化之一的以速度快并且精度高而为人知的Levenberg-Marquardt算法，通过在计算机上计算求出了相位差。实施例l、2和比较例l的nl、n2以及FXnl表示在表l中，实施例1、2和比较例1中测量到的450、550、650nm上的相位差的平均值表示在表2中，基准偏差表示在表3中。[表l]<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>[表2]<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>[表3]<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table>由表2可知，实施例1、2的相位差为正确值，但比较例1的相位差与实际的抽样值有明显偏差。而且如从表3能够明白的那样，比较例1每次测量的结果大不相同。并且，实施例l和2在550nm附近为相同程度的重复精度，但在450nm和650nm附近实施例1的重复精度较好。这是因为实施例1中测量到的分光光谱中峰值的数量压倒地多的缘故。从以上结果可知，用本发明的相位差测量装置能够精度良好地测量具有吸收或散射的相位差试样中的相位差。权利要求1.一种相位差测量装置，其包括依次配置有光源、偏振器、试样台、检偏器和分光器的光学系统以及计算单元，在偏振器与检偏器之间配置有波长板，并且在测量波长区域内的2个以上的波长的每一个中，用0.5以上的整数或半整数去除该波长板的延迟值后的值与该波长一致。2.如权利要求1所述的相位差测量装置，上述分光器的用FWHM定义的分辨率F与上述整数或半整数能够获取的最大值nl满足以下条件(B):(B)FXnl《50跳3.如权利要求1或2所述的相位差测量装置，上述波长板的延迟值在上述测量波长区域的下限波长入min为3XAmin以上。4.如权利要求13中的任一项所述的相位差测量装置，上述波长板具备相对于光轴插入和退避的机构。5.如权利要求14中的任一项所述的相位差测量装置，上述分光器为包括衍射光栅和一维受光阵列的多通道分光器。6.—种根据依次配置有光源、偏振器、试样、检偏器和分光器的光学系统中测量到的分光光谱来确定该试样的相位差的方法，包括以下过程选择在测量波长区域入minAmax中存在2个以上的波长Ax的波长板，所述波长Ax与0.5以上的整数或半整数nx的积入xnx表示波长板的延迟值；将该波长板配置到偏振器与检偏器之间。7.如权利要求6所述的方法，在测量分光光谱时使上述波长板与试样的光学轴一致或正交。全文摘要本发明提供一种能够简便并且精度良好地测量小的相位差的相位差测量装置。该相位差测量装置包括依次配置有光源、偏振器、试样台、检偏器和分光器的光学系统以及计算单元，在偏振器与检偏器之间配置有波长板，并且在测量波长区域内的2个以上的波长的每一个中，用0.5以上的整数或半整数去除该波长板的延迟值的值与该波长一致。文档编号G01M11/02GK101281091SQ20081009180公开日2008年10月8日申请日期2008年4月3日优先权日2007年4月6日发明者小畑史生,网盛一郎,高桥弘毅申请人:富士胶片株式会社