JP3855080B2 - Optical characteristic measuring method for liquid crystal element and optical characteristic measuring system for liquid crystal element - Google Patents
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Description
本発明は、液晶素子の光学特性の測定方法及び測定システム、更に液晶の配向分布とアンカリングエネルギーを測定する方法及び測定システムに関するものである。 The present invention relates to a measuring method and measuring system for optical characteristics of a liquid crystal element, and further relates to a method and measuring system for measuring alignment distribution and anchoring energy of liquid crystal.
液晶素子は、液晶の持っている光の偏光特性を利用した表示素子である。液晶素子では、一対の基板間に液晶を介在させ、基板上で発生させた電界を液晶層に印加することによって透過光及び反射光を制御している。基板上には、液晶層の初期配列を決定させるための配向膜が形成され、また上記基板と上記配向膜の間には透明電極が形成されている。場合によっては保護膜も形成されることがある。液晶素子の開発のためには、液晶の複屈折率及び液晶分子の配向分布等の基礎物性を知る必要がある。特に、配向膜の近傍における液晶分子が基板となす角度をプレチルト角といい、配向膜の近傍における液晶分子がどの程度強固に配向膜に固定されているかを表す物理量をアンカリングエネルギーという。プレチルト角とアンカリングエネルギーを正確に知ることは液晶素子の設計や改善に役立つため、工業的にも有用である。 A liquid crystal element is a display element that utilizes the polarization characteristics of light possessed by a liquid crystal. In a liquid crystal element, transmitted light and reflected light are controlled by interposing a liquid crystal between a pair of substrates and applying an electric field generated on the substrate to a liquid crystal layer. An alignment film for determining the initial alignment of the liquid crystal layer is formed on the substrate, and a transparent electrode is formed between the substrate and the alignment film. In some cases, a protective film may also be formed. In order to develop a liquid crystal element, it is necessary to know basic physical properties such as the birefringence of liquid crystal and the orientation distribution of liquid crystal molecules. In particular, the angle between the liquid crystal molecules in the vicinity of the alignment film and the substrate is referred to as a pretilt angle, and the physical quantity indicating how firmly the liquid crystal molecules in the vicinity of the alignment film are fixed to the alignment film is referred to as anchoring energy. Accurate knowledge of the pretilt angle and anchoring energy is useful for the design and improvement of liquid crystal elements and is also industrially useful.
従来よりプレチルト角とアンカリングエネルギーの測定法についてはさまざまな提案がなされてきた。プレチルト角の測定法としては、結晶回転法が提案されていた。またアンカリングエネルギーの測定法としては、強電場法が広く知られている。 Various proposals have been made for measuring the pretilt angle and anchoring energy. A crystal rotation method has been proposed as a method for measuring the pretilt angle. A strong electric field method is widely known as a method for measuring anchoring energy.
結晶回転法に用いられる測定装置は図１に示すような構成である。液晶素子10は、図２に示すように所定ギャップｄ隔てて配設された２枚のガラス基板11・12上に対向するように電極13・14をそれぞれ形成し、その電極13・14上の対向する面にそれぞれに配向膜16・17を形成し、配向膜16・17の間に液晶15を封入した構成を有する。
The measuring apparatus used for the crystal rotation method has a configuration as shown in FIG. As shown in FIG. 2, the
そして、図１に示すように図２の構成を有する液晶素子10を恒温槽21内に載置する。この恒温槽21は温度コントローラ22に接続されており、この温度コントローラ22により液晶15がネマティック相を保つように温度制御される。
Then, as shown in FIG. 1, the
23は本計測装置全体を制御するコンピュータである。このコンピュータ23には回転台33が接続されている。この回転台33はコンピュータ23からの制御信号に応じて回転する。
A
27はヘリウム−ネオンレーザ光を出力するレーザ光源である。このレーザ光源27から出力された波長λのレーザ光は偏光板28を介して直線偏光化された後、チョッパー34によって、光変調が掛けられた後、液晶素子10に照射される。
A
そして、液晶素子10を透過した透過光は偏光板30を介して検出器31に入力され、その光信号が検出される。
Then, the transmitted light that has passed through the
この検出器31で検出された光信号はロックインアンプ32に入力され、デジタル化された後、コンピュータ23に出力される。このコンピュータ23において信号処理がなされて、透過光強度が検出される。
The optical signal detected by the detector 31 is input to the lock-in
プレチルト角の小さい理想的な液晶素子であれば、液晶素子10の法線と入射レーザ光とのなす角がψである時の透過光強度から図３に示すようなグラフを作成することが出来る。
With an ideal liquid crystal element having a small pretilt angle, a graph as shown in FIG. 3 can be created from the transmitted light intensity when the angle between the normal line of the
図３において、曲線は実測値である。実測値から得られた曲線は図３に示されるような特徴的な対称性を持つ振動波形となる。この波形の対称点となる液晶素子の回転角をψｘは求めようとしているプレチルト角と次のような関係式で結ばれている。 In FIG. 3, the curve is an actual measurement value. The curve obtained from the actually measured values becomes a vibration waveform having a characteristic symmetry as shown in FIG. It is linked by equation such as pretilt angle and follows the rotation angle trying [psi x is Calculate the liquid crystal element to be symmetrical point of the waveform.
ここでａは異常光の屈折率の逆数、ｂは常光の屈折率の逆数、ｃ＝ａ２ｃｏｓ２θｐ＋ｂ２ｓｉｎ２θｐである。よって、式３よりプレチルト角を求めることが出来る。
Here, a is the reciprocal of the refractive index of extraordinary light, b is the reciprocal of the refractive index of ordinary light, and c = a 2 cos 2 θ p + b 2 sin 2 θ p . Therefore, the pretilt angle can be obtained from
強電場法に用いられる測定装置は図４に示すような構成である。液晶素子10は、図２に示すように所定ギャップｄ隔てて配設された２枚のガラス基板11・12上に対向するように電極13・14をそれぞれ形成し、その電極13・14上の対向する面にそれぞれに配向膜16・17を形成し、配向膜16・17の間に液晶15を封入した構成を有する。
The measuring apparatus used for the strong electric field method has a configuration as shown in FIG. As shown in FIG. 2, the
そして、図４に示すように図２の構成を有する液晶素子10を恒温槽21内に載置する。この恒温槽21は温度コントローラ22に接続されており、この温度コントローラ22により液晶15がネマティック相を保つように温度制御される。
Then, as shown in FIG. 4, the
23は本計測装置全体を制御するコンピュータである。このコンピュータ23には任意波形発生器24が接続されている。この任意波形発生器24はコンピュータ23からの制御信号に応じて任意の波形、例えば任意の波高値を有する正弦波電圧をアンプ25に出力する。
A
そして、このアンプ25から出力される任意の波高値を有する正弦波電圧の出力はインピーダンスアナライザ26を介して液晶素子10へ印加される。また、27はヘリウム−ネオンレーザ光を出力するレーザ光源である。このレーザ光源27から出力されたレーザ光は偏光板28を介して直線偏光化された後、光弾性変調素子29によって、光変調が掛けられた後、液晶素子10に照射される。
An output of a sine wave voltage having an arbitrary peak value output from the
そして、液晶素子10を透過した透過光は偏光板30を介して検出器31に入力され、その光振幅信号が検出される。
The transmitted light that has passed through the
この検出器31で検出された光振幅信号はロックインアンプ32に入力され、増幅・デジタル化された後、コンピュータ23に出力される。このコンピュータ23において信号処理がなされて、光リタデーションＲが検出される。ここで、非特許文献２ではリタデーションと呼ばれているが、正しくは位相差Δが計測されている。
The optical amplitude signal detected by the detector 31 is input to the lock-in
また、インピーダンスアナライザ26により液晶素子10の電気容量Ｃが計測される。次に、従来のネマティック液晶素子の極角アンカリングエネルギー測定方法の動作について説明する。まず、コンピュータ23の制御により任意波形発生器24により正弦波電圧を発生させ、その正弦波電圧値を液晶素子のしきい値からしきい値の約１０倍程度まで変化させることができるようアンプ25で増幅させる。その正弦波電圧はインピーダンスアナライザ26を介して液晶素子10に印加される。
Further, the electric capacity C of the
また同時に、レーザ光源27から出力されるレーザ光は偏光板28を介して直線偏光化され、光弾性変調素子29によって、光変調が掛けられた後、液晶素子10に照射される。液晶素子10を透過した透過光は偏光板30を介して検出器31に入力され、その光振幅信号が検出される。
At the same time, the laser light output from the
この検出器31で検出された光振幅信号はロックインアンプ32に入力され、デジタル化された後に、コンピュータ23に出力される。このコンピュータ23において信号処理がなされて、光リタデーションＲが検出される。
The optical amplitude signal detected by the detector 31 is input to the lock-in
また、インピーダンスアナライザ26により液晶素子10の静電容量Ｃを計測し、その計測された静電容量Ｃはコンピュータ23に出力される。
Further, the capacitance C of the
極角アンカリングエネルギーの小さい理想的な液晶素子であれば、液晶素子10に印加される正弦波電圧としての印加電圧Ｖ、印加電圧Ｖが掛けられた時の静電容量Ｃ（Ｖ）、電圧が掛けられていないときの光リタデーションＲ０、印加電圧Ｖが掛けられた時の光リタデーションＲ（Ｖ）から図５に示すようなグラフを作成することが出来る。
In the case of an ideal liquid crystal element having a small polar angle anchoring energy, an applied voltage V as a sine wave voltage applied to the
図５において、点は実測値である。実測値から得られたグラフに添う近似直線を破線で示すように引き、グラフ縦軸との交点即ちグラフ切片ｙより、下式から極角アンカリングエネルギーＡは求められる。 In FIG. 5, the points are actually measured values. An approximate straight line attached to the graph obtained from the actual measurement value is drawn as indicated by a broken line, and the polar angle anchoring energy A is obtained from the following equation from the intersection with the vertical axis of the graph, that is, the graph intercept y.
ここでＫ１、Ｋ３は弾性定数、ｄはセルギャップ、θｐはプレチルト角である。 Here, K 1 and K 3 are elastic constants, d is a cell gap, and θ p is a pretilt angle.
上記の従来法の問題点は、適用できる液晶素子が限定されることである。液晶素子は図２に示すように、一対のガラス基板の間に液晶を封入した構造を有し、液晶に初期配向を与えるための配向膜と呼ばれる高分子を塗布し、更に液晶層に電界を印加するための透明電極が配置される。このような多層膜構造を有するために、液晶層や配向膜及び透明電極において、多重反射及び多重干渉が発生している。しかしながら、上述の結晶回転法や強電場法においては、多重反射及び多重干渉は考慮されていない。このため、プレチルト角を測定する方法として結晶回転法は比較的簡便な方法として優れているが、一般にプレチルト角が１０度を超えた液晶素子には適用できないことが知られている。また極角アンカリングエネルギーを決定する方法として強電場法は比較的簡便な方法として優れているが、１０−４Ｊ／ｍ２以上の極角アンカリングエネルギーを決めることは困難であることが知られている。 The problem with the conventional method is that the applicable liquid crystal elements are limited. As shown in FIG. 2, the liquid crystal element has a structure in which liquid crystal is sealed between a pair of glass substrates, a polymer called an alignment film for applying initial alignment to the liquid crystal is applied, and an electric field is applied to the liquid crystal layer. A transparent electrode for applying is disposed. Due to such a multilayer film structure, multiple reflection and multiple interference occur in the liquid crystal layer, the alignment film, and the transparent electrode. However, the above-described crystal rotation method and strong electric field method do not consider multiple reflection and multiple interference. For this reason, the crystal rotation method is excellent as a relatively simple method for measuring the pretilt angle, but it is generally known that it cannot be applied to a liquid crystal element having a pretilt angle exceeding 10 degrees. The strong electric field method is excellent as a relatively simple method for determining polar anchoring energy, but it is difficult to determine polar angle anchoring energy of 10 −4 J / m 2 or more. It has been.
こうした測定範囲の限定を克服するためには、厳密に多重反射及び多重干渉の影響を考慮に入れた多層膜解析を行わなければならず、結晶回転法や強電場法の簡便さという利点は失われてしまった。 In order to overcome this limitation of the measurement range, it is necessary to perform multilayer analysis that strictly considers the effects of multiple reflection and multiple interference, and the advantages of the simplicity of the crystal rotation method and the strong electric field method are lost. I was broken.
本発明は前記課題に鑑みなされたものであり、液晶、位相補償フイルムなどの解析を行う際に、複雑な多層膜解析を行うことなしに多重反射及び多重干渉を相殺して複屈折率媒質の光学解析手法を行い、液晶配向分布及び液晶層の厚さｄを決定する方法及び測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and when analyzing a liquid crystal, a phase compensation film, etc., multiple reflections and multiple interferences are canceled without performing complicated multilayer analysis, and the birefringence medium is An object of the present invention is to provide a method and a measuring apparatus for performing an optical analysis method and determining a liquid crystal alignment distribution and a thickness d of a liquid crystal layer.
添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。 The gist of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
前記目的を達成するために、本発明にかかる液晶配向分布及び液晶層の厚さｄを決定する方法は、図２に示すような多層膜が形成された一対の基板間に液晶を介在させてなる液晶素子の光学特性測定方法であって、光源から放射される波長λである光を偏光子を介して偏光させた後、位相変調素子を介して位相変調を与えた上で、液晶素子に入射させ、この液晶素子から出射した光を検光子を介して光透過率を光検出器で測定することにより位相差Δを測定する位相差測定部を用いて、前記液晶素子に対して所定の入射角＋β及び−βで光を入射させ、位相差Δ＋及びΔ−を計測し、この得られた実測データΔ＋及びΔ−の差Δ−−Δ＋を求めて液晶層における多重反射及び多重干渉並びに液晶層の上下に存在する上記基板と上記ガラス基板上に形成されている多層膜における多重反射及び多重干渉を相殺して影響を除去する工程と、液晶の屈折率物性定数νに基づいて液晶分子が基板に対してなす角度θの変化が１次元である配向分布をなしているとして、所定の入射角＋β及び−βで光を入射させる条件で光学理論計算により得られる液晶部分の光路差Ｒ−及びＲ＋を求める工程と、この光路差Ｒ−及びＲ＋の差Ｒ−とＲ＋がΔ−−Δ＋と恒等的に等しいことを用いて上記の液晶配向分布及び液晶層の厚さｄを
また、多層膜が形成された一対の基板間に液晶を介在させてなる液晶素子の光学特性測定方法であって、光源から放射される波長λである光を偏光子を介して偏光させた後、位相変調素子を介して位相変調を与えた上で、液晶素子に入射させ、この液晶素子から出射した光を検光子を介して光透過率を光検出器で測定することにより位相差Δを測定する位相差測定部を用いて、前記液晶素子に対して所定の入射角＋β及び−βで光を入射させ、位相差Δ＋及びΔ−を計測し、得られた実測データΔ＋及びΔ−の差Δ−−Δ＋を求めて液晶層における多重反射及び多重干渉並びに液晶層の上下に存在する上記基板と上記ガラス基板上に形成されている多層膜における多重反射及び多重干渉を相殺して影響を除去する工程と、液晶の屈折率物性定数νに基づいて液晶分子が基板に対してなす角度θの変化が１次元である配向分布をなしているとして、所定の入射角＋β及び−βで光を入射させる条件で光学理論計算により得られる液晶部分の光路差Ｒ−及びＲ＋を求める工程と、この光路差Ｒ−及びＲ＋の差Ｒ−とＲ＋がΔ−−Δ＋と恒等的に等しいことを用いて、上記基板近傍における上記液晶が基板となすプレチルト角θｐ及び液晶層の厚さｄを
また、多層膜が形成された一対の基板間に液晶を介在させてなる液晶素子の光学特性測定方法であって、光源から放射される波長λである光を偏光子を介して偏光させた後、位相変調素子を介して位相変調を与えた上で、液晶素子に入射させ、この液晶素子から出射した光を検光子を介して光透過率を光検出器で測定することにより位相差Δを測定する位相差測定部を用いて、前記液晶素子に対して所定の入射角＋β及び−βで光を入射させ、位相差Δ＋及びΔ−を計測し、得られた実測データΔ＋及びΔ−の差Δ−−Δ＋を求めて液晶層における多重反射及び多重干渉並びに液晶層の上下に存在する上記基板と上記ガラス基板上に形成されている多層膜における多重反射及び多重干渉を相殺して影響を除去する工程と、液晶の基礎物性定数Ｋ11、ν、κ、γ及びプレチルト角θｐに基づいて液晶分子が基板に対してなす角度θの変化が１次元である配向分布をなしているとして連続体理論から求めた所定の電界が印加されている下でのチルト角θ０と、所定の入射角＋β及び−βで光を入射させる条件で光学理論計算により得られる液晶部分の光路差Ｒ−及びＲ＋を求める工程と、この光路差Ｒ−及びＲ＋の差Ｒ−とＲ＋がΔ−−Δ＋と恒等的に等しいことを用いて、上記基板近傍における上記液晶の極角アンカリングエネルギーについて、界面でのチルト角の偏差δθ０＝θ０−θｐと
また、ガラス基板に代わって保護樹脂が用いられている位相補償フイルムにおける光学特性測定方法であって、光源から放射される波長λである光を偏光子を介して偏光させた後、位相変調素子を介して位相変調を与えた上で、位相補償フイルムに入射させ、この位相補償フイルムから出射した光を検光子を介して光透過率を光検出器で測定することにより位相差Δを測定する位相差測定部を用いて、前記位相補償フイルムに対して所定の入射角＋β及び−βで光を入射させ、位相差Δ＋及びΔ−を計測し、得られた実測データΔ＋及びΔ−の差Δ−−Δ＋を求めてフイルムを構成する分子層における多重反射及び多重干渉並びに上下に存在する保護樹脂における多重反射及び多重干渉を相殺して影響を除去する工程と、フイルムを構成する分子層の屈折率物性定数νに基づいて分子が保護樹脂に対してなす角度θの変化が１次元である配向分布をなしているとして、所定の入射角＋β及び−βで光を入射させる条件で光学理論計算により得られる分子層部分の光路差Ｒ−及びＲ＋を求める工程と、この光路差Ｒ−及びＲ＋の差Ｒ−とＲ＋がΔ−−Δ＋と恒等的に等しいことを用いて上記の位相補償フイルムの光軸及びフイルムの厚さｄを
また、前記位相差測定部の前記素子を回転制御させることによって、前記液晶素子に対して所定の入射角＋β及び−βで光を入射させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶素子の光学特性測定方法に係るものである。
5. The light according to
また、多層膜が形成された一対の基板間に液晶を介在させてなる液晶素子の光学特性測定システムであって、光源から放射される波長λである光を偏光子を介して偏光させた後、位相変調素子を介して位相変調を与えた上で、液晶素子に入射させ、この液晶素子から出射した光を検光子を介して光透過率を光検出器で測定することにより位相差Δを測定する位相差測定部を用いて、前記液晶素子に対して所定の入射角＋β及び−βで光を入射させ計測し得られた実測データΔ＋及びΔ−の差Δ−−Δ＋を求めて液晶層における多重反射及び多重干渉並びに液晶層の上下に存在する上記基板と上記ガラス基板上に形成されている多層膜における多重反射及び多重干渉を相殺して影響を除去する演算手段と、液晶の屈折率物性定数νに基づいて液晶分子が基板に対してなす角度θの変化が１次元である配向分布をなしているとして、所定の入射角＋β及び−βで光を入射させる条件で光学理論計算により得られる液晶部分の光路差Ｒ−及びＲ＋を求める演算手段と、この光路差Ｒ−及びＲ＋の差Ｒ−とＲ＋がΔ−−Δ＋と恒等的に等しいことを用いて上記の液晶配向分布及び液晶層の厚さｄを
また、多層膜が形成された一対の基板間に液晶を介在させてなる液晶素子の光学特性測定システムであって、光源から放射される波長λである光を偏光子を介して偏光させた後、位相変調素子を介して位相変調を与えた上で、液晶素子に入射させ、この液晶素子から出射した光を検光子を介して光透過率を光検出器で測定することにより位相差Δを測定する位相差測定部を用いて、前記液晶素子に対して所定の入射角＋β及び−βで光を入射させ測定し得られた実測データΔ＋及びΔ−の差Δ−−Δ＋を求めて液晶層における多重反射及び多重干渉並びに液晶層の上下に存在する上記基板と上記ガラス基板上に形成されている多層膜における多重反射及び多重干渉を相殺して影響を除去する演算手段と、液晶の屈折率物性定数νに基づいて液晶分子が基板に対してなす角度θの変化が１次元である配向分布をなしているとして、所定の入射角＋β及び−βで光を入射させる条件で光学理論計算により得られる液晶部分の光路差Ｒ−及びＲ＋を求める演算手段と、この光路差Ｒ−及びＲ＋の差Ｒ−とＲ＋がΔ−−Δ＋と恒等的に等しいことを用いて、上記基板近傍における上記液晶が基板となすプレチルト角θｐ及び液晶層の厚さｄを
また、多層膜が形成された一対の基板間に液晶を介在させてなる液晶素子の光学特性測定システムであって、光源から放射される波長λである光を偏光子を介して偏光させた後、位相変調素子を介して位相変調を与えた上で、液晶素子に入射させ、この液晶素子から出射した光を検光子を介して光透過率を光検出器で測定することにより位相差Δを測定する位相差測定部を用いて、前記液晶素子に対して所定の入射角＋β及び−βで光を入射させ計測し得られた実測データΔ＋及びΔ−の差Δ−−Δ＋を求めて液晶層における多重反射及び多重干渉並びに液晶層の上下に存在する上記基板と上記ガラス基板上に形成されている多層膜における多重反射及び多重干渉を相殺して影響を除去する演算手段と、液晶の基礎物性定数Ｋ11、ν、κ、γ及びプレチルト角θｐに基づいて液晶分子が基板に対してなす角度θの変化が１次元である配向分布をなしているとして連続体理論から求めた所定の電界が印加されている下でのチルト角θ０と、所定の入射角＋β及び−βで光を入射させる条件で光学理論計算により得られる液晶部分の光路差Ｒ−及びＲ＋を求める演算手段と、この光路差Ｒ−及びＲ＋の差Ｒ−とＲ＋がΔ−−Δ＋と恒等的に等しいことを用いて、上記基板近傍における上記液晶の極角アンカリングエネルギーについて、界面でのチルト角の偏差δθ０＝θ０−θｐと
また、ガラス基板に代わって保護樹脂が用いられている位相補償フイルムにおける光学特性測定システムであって、光源から放射される波長λである光を偏光子を介して偏光させた後、位相変調素子を介して位相変調を与えた上で、位相補償フイルムに入射させ、この位相補償フイルムから出射した光を検光子を介して光透過率を光検出器で測定することにより位相差Δを測定する位相差測定部を用いて、前記位相補償フイルムに対して所定の入射角＋β及び−βで光を入射させ計測し得られた実測データΔ＋及びΔ−の差Δ−−Δ＋を求めてフイルムを構成する分子層における多重反射及び多重干渉並びに上下に存在する保護樹脂における多重反射及び多重干渉を相殺して影響を除去する演算手段と、フイルムを構成する分子層の屈折率物性定数νに基づいて分子が保護樹脂に対してなす角度θの変化が１次元である配向分布をなしているとして、所定の入射角＋β及び−βで光を入射させる条件で光学理論計算により得られる分子層部分の光路差Ｒ−及びＲ＋を求める演算手段と、この光路差Ｒ−及びＲ＋の差Ｒ−とＲ＋がΔ−−Δ＋と恒等的に等しいことを用いて上記の位相補償フイルムの光軸及びフイルムの厚さｄを
また、前記位相差測定部の前記素子を回転制御させることによって、前記液晶素子に対して所定の入射角＋β及び−βで光を入射させるように構成したことを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の液晶素子の光学特性測定システムに係るものである。 The light emitting device may be configured such that light is incident on the liquid crystal element at predetermined incident angles + β and −β by controlling rotation of the element of the phase difference measuring unit. The liquid crystal element optical characteristic measurement system according to any one of the above.
本発明にかかる液晶配向分布及び液晶層の厚さｄを決定する方法及び装置によれば、従来は液晶層の厚さ、プレチルト角、極角アンカリングエネルギーの測定にはそれぞれの専用測定機が必要であったが、本発明では一台の偏光解析装置によって、液晶素子における液晶配向分布、液晶層の厚さ、プレチルト角、極角アンカリングエネルギーを、位相補償フイルムについては光軸及びフイルムの厚さｄを簡便な方法で決定することが可能となる。更に、従来法では多重反射、多重干渉の影響を無視していたことから測定できる範囲が限定的であった。プレチルト角の場合は一般に１０度以下、極角アンカリングエネルギーの場合は１０−４Ｊ／ｍ２以下の場合でなければ精度良く測定できなかった。本発明では、多重反射、多重干渉を相殺できることから、プレチルト角に関しては制限がなくなり、極角アンカリングエネルギーの場合は１０−２Ｊ／ｍ２以下まで測定できるようになる。 According to the method and apparatus for determining the liquid crystal alignment distribution and the thickness d of the liquid crystal layer according to the present invention, each dedicated measuring instrument has conventionally been used to measure the thickness, pretilt angle and polar angle anchoring energy of the liquid crystal layer. In the present invention, the liquid crystal alignment distribution, the thickness of the liquid crystal layer, the pretilt angle, and the polar angle anchoring energy in the liquid crystal element are measured by a single ellipsometer in the present invention, and the optical axis and the film are adjusted for the phase compensation film. The thickness d can be determined by a simple method. Furthermore, the conventional method ignores the effects of multiple reflection and multiple interference, so the range that can be measured is limited. In the case of the pretilt angle, measurement was generally accurate unless the angle was 10 degrees or less, and in the case of polar angle anchoring energy, 10 −4 J / m 2 or less. In the present invention, since multiple reflections and multiple interferences can be canceled, there is no restriction on the pretilt angle, and in the case of polar angle anchoring energy, it is possible to measure up to 10 −2 J / m 2 or less.
好適と考える本発明の実施形態（発明をどのように実施するか）を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。 Embodiments of the present invention that are considered suitable (how to carry out the invention) will be briefly described with reference to the drawings, illustrating the operation of the present invention.
本発明は、光学の教科書には必ず掲載されている薄膜における多重反射、多重干渉について理解した上で、異方性媒質を含む多層膜光学解析を行うものである。 The present invention carries out multilayer optical analysis including an anisotropic medium after understanding multiple reflection and multiple interference in a thin film which is always described in an optical textbook.
以下、実際の測定に即して、本発明を詳しく説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on actual measurements.
ここでは、測定対象を液晶素子とした。無論、異方性媒質を有する媒質であれば全てに適用することが出来る。本実験に用いられる液晶素子の概要図を図２に記載する。本実験に用いられた液晶素子は、図２に示すように所定ギャップｄ隔てて配設された２枚のガラス基板11・12上に対向するように電極13・14をそれぞれ形成し、その電極13・14上の対向する面にそれぞれに配向膜16・17を形成し、配向膜16・17の間に液晶15を封入した構成を有する。
Here, the measurement object was a liquid crystal element. Of course, any medium having an anisotropic medium can be applied. A schematic diagram of the liquid crystal element used in this experiment is shown in FIG. In the liquid crystal element used in this experiment, as shown in FIG. 2,
そして、本発明にかかる測定装置を図７に示す。光源部35から放射される波長λである光を偏光子28を介して直線偏光化させた後、位相変調素子29を介して位相変調を与えた上で、液晶素子10に入射させ、この液晶素子10から出射した光を回転機構を有する検光子30を介して光透過率を光検出器31で検出した後ロックインアンプ32で雑音を除去した後にデジタル信号化することを目的とした光強度計測部と、デジタル化された光強度情報をコンピュータ23に送り位相差Δを算出する位相差測定部とにおいて構成される透過型偏光解析装置である。偏光解析装置は、光によって透明媒質の位相差Δ及び振幅比角Ψを測定する装置である。偏光解析装置は、前記の位相変調素子29によって位相変調をかけることを利用した偏光変調方式と、前記の位相変調素子29によって位相変調は掛けないものの検光子30を回転させることで偏光状態を解析する回転検光子方式などがあるが、求める情報が媒質の位相差Δ及び振幅比角Ψを測定するものはすべて偏光解析装置ということが出来ることは自明である。特に、媒質の位相差Δのみを測定する装置を位相差測定装置やリタデーション計測装置などと呼ぶこともあるが、すべて偏光解析装置の範疇である。
And the measuring apparatus concerning this invention is shown in FIG. The light having the wavelength λ emitted from the
図２の構成を有する液晶素子10を恒温槽21内に載置する。この恒温槽21は温度コントローラ22に接続されており、この温度コントローラ22により液晶15がネマティック相を保つように温度制御される。恒温槽21は光源部35と光検出部31の間の光路上に配置する。
The
23は本計測装置全体を制御するコンピュータである。このコンピュータ23には、コンピュータに接続されている回転台33及び検光子30を制御する回転制御部と、コンピュータに接続されている検光子30を制御する回転制御部と、コンピュータに接続されているロックインアンプ32から入力される光強度のデジタル信号を演算して位相差Δ及び振幅比角Ψを算出する演算部より構成されている。この回転台33はコンピュータ23からの制御信号に応じて回転する。このとき、偏光解析装置内における光路と液晶素子の法線とのなす角をβとする。また、任意波形発生24を制御するコンピュータ23内の電界制御部により制御された任意波形発生装置24から発生した正弦波電圧はアンプ25で増幅され、液晶素子10に印加される。
A
測定手順は次のとおりである。まずはじめに、偏光解析装置における光路と液晶素子の法線がなす角がある特定の角度βになるように回転台33を回転させる。この角度βは任意である。続いて、偏光解析装置検出された光強度をコンピュータ23に入力して位相差Δを算出する。この工程で求められた位相差ΔをΔ＋と呼ぶ。
The measurement procedure is as follows. First, the
次に偏光解析装置における光路と液晶素子の法線がなす角がある特定の角度-βになるように回転台33を回転させる。続いて、偏光解析装置検出された光強度をコンピュータ23に入力して位相差Δを算出する。この工程で求められた位相差ΔをΔ−と呼ぶ。
Next, the
異方性をもつ媒質では一般に、Δ＋とΔ−は値が異なる。何故値が異なるかを示した図を図８に示す。図８において、異方性をもつ媒質に異方性をもたない媒質から点Ｏにおいて角度＋βで光が入射した状況を考える。入射する光の振動面が紙面に平行な偏光をｐ偏光、紙面に垂直な偏光をｓ偏光と呼ぶ。異方性媒質を通過した後の、ｐ偏光とｓ偏光の位相差をリタデーションと呼ぶ。ｓ偏光に関しては、角度＋βで入射した光と角度−βで入射した光の位相に差がないので、ｐ偏光のみを考える。光学の教科書にあるように、屈折に関するスネルの法則から、異方性をもつ媒質における光の進行角は光の入射角＋βとは異なる。そして、点Ａにおいて対向側の異方性をもたない媒質へと点Ｆの方向に光は抜けていく。このリタデーションは、異方性をもつ媒質のもっとも有用な情報を持っている。ここで、異方性をもつ媒質と異方性をもたない媒質との屈折率が異なるために、すべての光が点Ａにおいて点Ｆの方向に進行するわけではなく、一部は点Ａにおいて反射され点Ｇの方向に進行する。こうした光を反射光という。反射光は点Ｇにおいて異方性をもたない媒質側に抜けていく光もあるが、異方性をもつ媒質と異方性をもたない媒質との屈折率が異なるために、すべての光が点Ｇにおいて透過するわけではなく、一部は点Ｇにおいて反射され点Ｈの方向に進行する。点Ｈにおいても同様に透過する光と反射する光が存在する。こうした繰り返しを特に、光学の教科書では多重反射と呼ぶ。また、点Ｈから透過してきた光と点Ａから透過してきた光は干渉を起こす。さらに多重反射を起こしたことにより、光が異方性をもつ媒質から異方性を持たない媒質に透過してくる全ての光が相互に干渉を起こす。これらの干渉を、光学の教科書では多重干渉という。異方性を持つ媒質の解析を行う場合、本来欲しいのはリタデーション、すなわち点ＯＡ間を通過した光だけである。点ＯＡ間を通過した光の位相差をここでは特にＲ＋とする。点ＯＡ間を通過した光以外の多重反射光及び多重干渉光が実際には存在することによって、偏光解析装置で測定される位相差Δ＋はリタデーションＲ＋とは異なる。偏光解析装置で測定される位相差Δ＋とリタデーションＲ＋との差をδ＋とする。すなわちΔ＋＝Ｒ＋＋δ＋である。 In general, Δ + and Δ − have different values in an anisotropic medium. FIG. 8 shows why the values are different. In FIG. 8, a situation is considered in which light is incident at an angle + β at point O from a medium having anisotropy in an anisotropic medium. Polarized light whose incident vibration plane is parallel to the paper surface is called p-polarized light, and polarized light perpendicular to the paper surface is called s-polarized light. The phase difference between p-polarized light and s-polarized light after passing through an anisotropic medium is called retardation. Regarding s-polarized light, since there is no difference in phase between light incident at an angle + β and light incident at an angle −β, only p-polarized light is considered. As described in the textbook of optics, from Snell's law regarding refraction, the light traveling angle in an anisotropic medium is different from the light incident angle + β. Then, light passes in the direction of point F to a medium having no anisotropy on the opposite side at point A. This retardation has the most useful information of an anisotropic medium. Here, since the refractive index of the medium having anisotropy is different from that of the medium having no anisotropy, not all the light travels in the direction of the point F at the point A. Is reflected and travels in the direction of point G. Such light is called reflected light. Some of the reflected light passes through the medium having no anisotropy at the point G. However, since the refractive index of the medium having anisotropy differs from the medium having no anisotropy, The light is not transmitted at point G, but part of it is reflected at point G and travels in the direction of point H. Similarly, at point H, there is light that is transmitted and light that is reflected. Such repetition is particularly called multiple reflection in optical textbooks. Further, the light transmitted from the point H and the light transmitted from the point A cause interference. Furthermore, by causing multiple reflections, all light transmitted from a medium having anisotropy to a medium having no anisotropy causes mutual interference. These interferences are called multiple interferences in optical textbooks. When analyzing a medium having anisotropy, what is originally desired is retardation, that is, only light that has passed between the points OA. Here, the phase difference of the light passing between the points OA is particularly R + here. The phase difference Δ + measured by the ellipsometer is different from the retardation R + due to the fact that multiple reflected light and multiple interference light other than the light passing between the points OA actually exist. The difference between the phase difference Δ + measured by the ellipsometer and the retardation R + is defined as δ + . That is, Δ + = R + + δ + .
次に図８において、異方性をもつ媒質に異方性をもたない媒質から点Ｏにおいて角度−βで光が入射した状況を考える。同様に簡単化のために、入射する光の振動面は紙面と平行であるｐ偏光のみを考える。先程と同様に、異方性をもつ媒質における光の進行角は光の入射角−βとは異なる。そして、点Ａ´において対向側の異方性をもたない媒質へと点Ｆ´の方向に光は抜けていく。ここで、媒質が異方性をもつことから、角ＧＯＡと角Ｇ´ＯＡ´は異なることに注意したい。点ＯＡ´間を通過した光の位相差をここでは特にＲ−とする。このため異方性をもつ媒質のもっとも有用な情報を持っているリタデーションＲ−はＲ＋と異なる値を持つ。角度＋βで光が入射した場合と同様に、点ＯＡ´間を通過した光以外の多重反射光及び多重干渉光が実際には存在することによって、偏光解析装置で測定される位相差Δ−はリタデーションＲ−とは異なる。偏光解析装置で測定される位相差Δ−とリタデーションＲ−との差をδ−とする。すなわちΔ−＝Ｒ−＋δ−である。 Next, in FIG. 8, a situation is considered in which light is incident at an angle −β at a point O from a medium having anisotropy in an anisotropic medium. Similarly, for simplification, only the p-polarized light whose plane of vibration of incident light is parallel to the paper surface is considered. As before, the light traveling angle in the anisotropic medium is different from the light incident angle −β. Then, light passes in the direction of the point F ′ to a medium having no anisotropy on the opposite side at the point A ′. Note that the angle GOA and the angle G′OA ′ are different because the medium has anisotropy. Here, the phase difference of the light that has passed between the points OA ′ is particularly R − here. Therefore, the retardation R − having the most useful information of the anisotropic medium has a value different from R + . As in the case where the light is incident at the angle + β, the phase difference Δ − measured by the ellipsometer is due to the fact that multiple reflected light and multiple interference light other than the light that has passed between the points OA ′ actually exist. retardation R - different from the. The difference between the phase difference Δ − measured by the ellipsometer and the retardation R − is δ − . That Δ - = R - + δ - a.
ここで、屈折に関するスネルの法則から、角度＋βで光が入射されたときの異方性媒質内部での反射光の光路ＡＧと、角度−βで光が入射されたときの異方性媒質内部での反射光の光路Ｇ´Ｈ´は同一である。同様に、角度＋βで光が入射されたときの異方性媒質内部での反射光の光路ＡＧと、角度−βで光が入射されたときの異方性媒質内部での反射光の光路Ｇ´Ｈ´は同一である。角度＋βで光が入射されたときの異方性媒質内部での反射光の光路ＧＨと、角度−βで光が入射されたときの異方性媒質内部での反射光の光路Ａ´Ｇ´は同一である。よって、角度＋βで光が入射されたときの多重反射及び多重干渉の成分δ＋と、角度−βで光が入射されたときの多重反射及び多重干渉の成分δ−とは等しいことが分かる。 Here, from Snell's law regarding refraction, the optical path AG of reflected light inside the anisotropic medium when light is incident at an angle + β and the inside of the anisotropic medium when light is incident at an angle −β The optical path G′H ′ of the reflected light at is the same. Similarly, the optical path AG of reflected light inside the anisotropic medium when light is incident at an angle + β, and the optical path G of reflected light inside the anisotropic medium when light is incident at an angle −β. 'H' is the same. An optical path GH of reflected light inside the anisotropic medium when light is incident at an angle + β, and an optical path A′G ′ of reflected light inside the anisotropic medium when light is incident at an angle −β. Are the same. Therefore, it can be seen that the multiple reflection and multiple interference component δ + when light is incident at an angle + β is equal to the multiple reflection and multiple interference component δ − when light is incident at an angle −β.
よって、角度＋βで光が入射されたときの位相差Δ＋と、角度−βで光が入射されたときの位相差Δ−との差は
異方性媒質のリタデーションは、次の式で与えられる。 The retardation of the anisotropic medium is given by the following equation.
ここで、νはν＝（ｎｅ ２−ｎｏ ２）/ｎｏ ２、ｎｅは異常光に対する屈折率、ｎｏは常光に対する屈折率、λは入射光の波長、πは円周率であり。θは位置ｚにおける分子のｘ軸となす角である。 Here, [nu is ν = (n e 2 -n o 2) / n o 2, n e is the refractive index for extraordinary light, n o is the refractive index for the ordinary light, lambda is the wavelength of the incident light, [pi is pi And θ is an angle formed with the x-axis of the molecule at position z.
以上より、角度＋βで光が入射されたときの位相差Δ＋と、角度−βで光が入射されたときの位相差Δ−との差をとることによって異方性媒質の空間分布を得ることが出来るのである。 As described above, the spatial distribution of the anisotropic medium is obtained by taking the difference between the phase difference Δ + when the light is incident at the angle + β and the phase difference Δ − when the light is incident at the angle −β. It can be done.
コンピュータ23においては、角度＋βで光が入射されたときの位相差Δ＋と、角度−βで光が入射されたときの位相差Δ−との差より、式１に基づく数値計算より液晶の分子が基板とのなす角θのセル厚方向の一次元分布を求める。
In
以上の形態及び手順で、液晶の分子が基板とのなす角θのセル厚方向の一次元分布を求めることができる。 With the above form and procedure, the one-dimensional distribution in the cell thickness direction of the angle θ formed by the liquid crystal molecules with the substrate can be obtained.
また、極角アンカリングエネルギーWaを決定する際には、上記手順で界面におけるプレチルト角とセル厚ｄを決定した後、適切な電圧を液晶素子に加えた状態での界面でのチルト角θ０を連続体理論に基づいて計算しておき、その偏差δθ０＝θ０−θｐと
本発明の具体的な実施例１について図面に基づいて説明する。 A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図９は、液晶素子のプレチルト測定を本発明の方法で行った結果の一例である。偏光解析装置を用いて波長λが５５０ｎｍである光を前記液晶素子に対して所定の入射角＋β及び−βで光を入射させている。液晶素子の透明電極13及び14の厚さは４０ｎｍ、配向膜16及び17の厚さは７０ｎｍ、透明電極13及び14の屈折率は２．０４３４、配向膜16及び17の屈折率は１．６１４７である。入射角βは、図７の測定装置における回転台33を＋８０度から−８０度まで回転させながら測定している。図９の横軸は、液晶素子への光の入射角βをとり、縦軸は位相差を取っている。図９における図中の○印はΔ−−Δ＋の測定点であり、実線は、液晶の基板との傾き角θと基板間のギャップｄをパラメータとした、式１が最もよく実験結果と一致するように数値計算を行った位相差の差Ｒ−−Ｒ＋の解析結果曲線である。この解析結果曲線を与えるときの、式１の解θとｄは、θ＝５．０度ならびにｄ＝５．０μｍであった。結晶回転法では、予め別の方法でギャップｄを測定しておかねばならなかった。更に多重反射及び多重干渉の影響からプレチルト角の測定範囲に制限があった。本発明の方法ではプレチルト角の測定範囲に限界が無く、プレチルト角とギャップｄを同時に決定することが出来ることが特徴である。
FIG. 9 shows an example of a result obtained by performing the pretilt measurement of the liquid crystal element by the method of the present invention. Using an ellipsometer, light having a wavelength λ of 550 nm is incident on the liquid crystal element at predetermined incident angles + β and −β. The
本発明の具体的な実施例２について図面に基づいて説明する。 A second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１０は、液晶素子の極角アンカリングエネルギーを本発明による方法で決定を試みた結果の一例である。偏光解析装置を用いて波長λが５５０ｎｍである光を前記液晶素子に対して所定の入射角＋β及び−βで光を入射させている。液晶素子の透明電極13及び14の厚さは４０ｎｍ、配向膜16及び17の厚さは７０ｎｍ、透明電極13及び14の屈折率は２．０４３４、配向膜16及び17の屈折率は１．６１４７である。入射角βは、図７の測定装置における回転台３３を＋５０度及び−５０に固定して測定している。プレチルト角とギャップｄは実施例１で測定され、チルト角は１０．０度ならびにギャップは５．０μｍであった。図９の横軸は、液晶素子への印加電圧Ｖをとり、縦軸は位相差を取っている。図１０における図中の○印はΔ−−Δ＋の測定点であり、２本の曲線は、式２において、極角アンカリングエネルギーが５×１０−４Ｊ／ｍ２及び１０×１０−４Ｊ／ｍ２の場合の位相差の差Ｒ−−Ｒ＋である。この結果から、求める極角アンカリングエネルギーは５×１０−４Ｊ／ｍ２であることが分かる。強電場法では、極角アンカリングエネルギーが１×１０−４Ｊ／ｍ２を超えると測定が困難であった。更に多重反射及び多重干渉の影響から強い極角アンカリングエネルギーの測定においては誤差が大きかった。本発明の方法では１×１０−３Ｊ／ｍ２を程度までの強い極角アンカリングエネルギーの測定が可能で、かつ同一のシステムを用いてプレチルト角とギャップｄと極角アンカリングエネルギーを決定することが出来ることが特徴である。
FIG. 10 is an example of a result of an attempt to determine the polar angle anchoring energy of the liquid crystal element by the method according to the present invention. Using an ellipsometer, light having a wavelength λ of 550 nm is incident on the liquid crystal element at predetermined incident angles + β and −β. The
本発明の具体的な実施例３について図面に基づいて説明する。 A specific third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１１は、本発明による方法によって液晶分子配列を決定する概念を示す。最も基本的な液晶配列である平行配向は図２に示すような配列である。これ以外にも図１１のようなハイブリッド型と呼ばれる液晶の配列もある。このような特殊な配列の場合でも、一次元配向分布を決めることが出来る。 FIG. 11 shows the concept of determining the liquid crystal molecular alignment by the method according to the invention. The parallel alignment, which is the most basic liquid crystal array, is an array as shown in FIG. In addition to this, there is a liquid crystal arrangement called a hybrid type as shown in FIG. Even in the case of such a special arrangement, the one-dimensional orientation distribution can be determined.
本発明の具体的な実施例４について図面に基づいて説明する。 A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１２は、位相補償フイルムの概略図である。位相補償フイルムは液晶素子とは異なる構造を有しているが、本発明による測定システムの測定対象である。すなわち、位相補償フイルムは高分子でできているものの、高分子を構成する単位となる構造は液晶と類似である。この単位となる構造が、位相補償フイルム内でどのような配向分布をしているかが重要である。この分子の基本単位の配向分布の測定も、本発明によるシステムによって行うことができる。 FIG. 12 is a schematic diagram of a phase compensation film. The phase compensation film has a structure different from that of the liquid crystal element, but is a measurement object of the measurement system according to the present invention. That is, although the phase compensation film is made of a polymer, the structure that is a unit constituting the polymer is similar to a liquid crystal. It is important how the unit structure has an orientation distribution in the phase compensation film. The measurement of the orientation distribution of the basic unit of the molecule can also be performed by the system according to the present invention.
尚、本発明は、実施例１〜４に限られるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。 In addition, this invention is not restricted to Examples 1-4, The concrete structure of each component can be designed suitably.
10 液晶素子
11・12 ガラス板
13・14 電極
15 液晶
16・17 配向膜
27 レーザ光源
28 偏光子
29 光弾性変調器
30 検光子
31 検出器
10 Liquid crystal elements
11.12 glass plate
13.14 electrodes
15 LCD
16.17 Alignment film
27 Laser light source
28 Polarizer
29 photoelastic modulator
30 analyzer
31 Detector
Claims (10)
10. The structure according to claim 6, wherein light is incident on the liquid crystal element at predetermined incident angles + β and −β by controlling rotation of the element of the phase difference measuring unit. 2. A system for measuring optical characteristics of a liquid crystal element according to item 1.
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