JP5972061B2

JP5972061B2 - 偏光軸方向測定装置および偏光軸方向測定方法

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Publication number: JP5972061B2
Application number: JP2012137062A
Authority: JP
Inventors: 大杉山
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2012-06-18
Filing date: 2012-06-18
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-06-18
Also published as: JP2014002019A

Description

本発明は、偏光分離体の重畳体の偏光軸方向を測定するための偏光軸方向測定装置および偏光軸方向測定方法に関する。

偏光分離体（たとえば、偏光板）は特定の偏光状態の光を選択分離可能な機能性素材であり、液晶ディスプレイ等に使われている。偏光分離体は透光性であり、光の透過率の差、屈折率の差等で特徴付けられる偏光分離層を有している。たとえば、２色性の偏光板は、偏光方向に対する透過率の差を利用して所定方向の直線偏光を取り出す偏光分離層を有している。

直線偏光を選択分離可能な偏光分離体の偏光軸（透過軸）方向の決定は、直線偏光を選択分離可能な基準となる偏光子に対して偏光分離体を回転させ、基準となる偏光子の偏光軸と偏光分離体の偏光軸とが直交する方向、つまり透過光の強度が最小となる方向（消光方向）を測定することで行うことができる。そして、消光方向での透過光強度と、消光方向から偏光分離体を９０度回転させた際（偏光子と偏光分離体が平行ニコル）の透過光強度から、偏光分離体の偏光度や消光比を求めることができる。その他の例としては、特許文献１を挙げることができる。

また、特許文献２には、２枚の偏光子（偏光板）をクロスニコルの状態に設置し、その間に位相差フィルムを置き、位相差フィルムを回転して透過光強度が最小となる方位を測定する方法が開示されている。

特開平４−３６６３１号公報特開２００６−２４２６１７号公報

近年、映像表示機器である液晶ディスプレイの一光学部材として、ワイヤグリッド偏光板の利用が検討されている。ワイヤグリッド偏光板は、偏光分離体の一種であり、特定の偏光状態の光を選択分離して透過させるだけでなく、偏光反射特性も有するため、液晶ディスプレイにおける光の利用効率の向上を期待できる。一方、液晶ディスプレイには、透過光が高消光比となる偏光板を用いることが好ましいため、ワイヤグリッド偏光板に吸収型偏光板を貼合し、重畳体として用いることが検討されている。

このような偏光分離体の重畳体においては、重畳体を構成する各偏光分離体の偏光軸方向が略一致していることが重要である。しかし、このような重畳体を構成する各偏光分離体の偏光軸方向を実際に測定することはほぼ無く、外形寸法等の管理を行うことによって、偏光軸方向を推測することが一般的であった。

各偏光分離体の偏光軸方向を測定する場合には、基準となる偏光子に対して偏光分離体を回転させ、その透過光強度から偏光軸方向を判別する方法も考えることができるが、偏光分離体の重畳体の偏光軸角度を測定した後に、重畳体を一度サンプルホルダーから取り出して反転させ、再測定する必要があり、測定作業が煩雑となるばかりでなく、測定精度低下の懸念があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、偏光分離体の重畳体の偏光軸方向を簡易かつ高精度に測定できる装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の偏光軸方向測定装置は、偏光子を含み、所定の直線偏光を出光する光源ユニットと、前記光源ユニットとクロスニコルに配置される検光子と、受光器と、偏光分離体の重畳体である板状の測定サンプルを保持し、前記測定サンプルに垂直な軸を回転軸とする回転により前記測定サンプルの回転角度を変更する、前記光源ユニットと前記検光子との間に設置されるサンプルホルダーと、を備え、前記サンプルホルダーにより前記測定サンプルを回転させたときの複数の回転角度における受光量から、最低受光量となる第１の回転角度を算出する偏光軸方向演算手段を有し、前記偏光軸方向演算手段は、前記光源ユニットおよび前記検光子の偏光軸と、前記サンプルホルダーの角度との関係を示す基準回転角度と、前記第１の回転角度と、前記第１の回転角度から前記測定サンプルを回転角度が＋または−となる方向に回転させたときの複数の回転角度における受光量から算出される最低受光量となる第２の回転角度と、に基づいて前記測定サンプルを構成する各偏光分離体間の偏光軸方向を算出することを特徴とする。

この偏光軸方向測定装置によれば、測定サンプルである偏光分離体の重畳体は、偏光子または検光子とクロスニコルとなる方向があるため、測定サンプルをサンプルホルダーとともに回転させることにより、その透過光強度の変化から偏光軸方向を判別することができる。重畳体を構成する各偏光分離体と、偏光子または検光子がクロスニコルとなる方向は２方向あり、この２方向の角度方向が重畳体を構成する各偏光分離体の偏光軸方向となるが、この偏光軸方向測定装置は偏光子および検光子を備えるため、サンプルホルダーに測定サンプルを置いた後は、サンプルホルダーを回転させるのみで２方向を検出できるため、偏光分離体の重畳体の偏光軸方向を簡易かつ高精度に測定できる。

上記偏光軸方向測定装置において、前記光源ユニットは、所定の波長の光を出光する機構を有することが好ましい。

上記偏光軸方向測定装置において、前記光源ユニットは、直線偏光を出光するレーザーを光源とすることが好ましい。

上記偏光軸方向測定装置において、前記偏光軸方向演算手段は、複数の回転角度で受光量を測定し、前記回転角度と前記受光量から近似される２次関数を算出することにより、最低受光量となる前記第１の回転角度または前記第２の回転角度を算出することが好ましい。

本発明の偏光軸方向測定方法は、偏光子を含み、所定の直線偏光を出光する光源ユニットと、前記光源ユニットとクロスニコルに配置される検光子との間に設置されたサンプルホルダーに、偏光分離体の重畳体である板状の測定サンプルを設置して、偏光軸方向演算手段によって、前記サンプルホルダーにより前記測定サンプルを回転させたときの複数の回転角度における受光量から、最低受光量となる第１の回転角度を算出する工程と、前記偏光軸方向演算手段によって、前記光源ユニットおよび前記検光子の偏光軸と、前記サンプルホルダーの角度との関係を示す基準回転角度と、前記第１の回転角度と、前記第１の回転角度から前記測定サンプルを回転角度が＋または−となる方向に回転させたときの複数の回転角度における受光量から算出される最低受光量となる第２の回転角度と、に基づいて前記測定サンプルを構成する各偏光分離体間の偏光軸方向を算出する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、偏光分離体の重畳体の偏光軸方向を簡易かつ高精度に測定することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る偏光軸方向測定装置の概略構成図である。上記偏光軸方向測定装置におけるサンプルホルダーを説明するための図である。基準サンプルの透過強度と回転角度との関係の一例を示すグラフである。測定サンプルの透過強度（輝度値）と回転角度との関係の一例を示すグラフである。第１サンプル、第２サンプルおよび測定サンプルの透過光量と偏光板角度との関係の一例を示すグラフである。第１サンプル、第２サンプルおよび測定サンプルの透過光量と偏光板角度との関係の一例を示すグラフである。第１サンプル、第２サンプルおよび測定サンプルの透過光量と偏光板角度との関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る偏光軸方向測定装置１の概略構成図である。図１に示すように、偏光軸方向測定装置１は、光源１０および偏光子１１で構成された光源ユニット１２と、検光子１３と、受光器１４と、を含んで構成される。光源ユニット１２と検光子１３との間には、測定サンプルを保持するサンプルホルダー１５を設置することができる。光源ユニット１２は、所定の直線偏光を出光する。光源ユニット１２から出光した光は、サンプルホルダー１５に保持された測定サンプルへと照射される。

測定サンプルからの透過光は、受光器１４に入光し、透過光の強度（受光量）が計測される。サンプルホルダー１５は、回転機構と回転角度の表示部を備え、測定サンプルの偏光軸が検出できるように回転できることが好ましい。また、受光器１４は、積分球等の光捕集機構を備えることが好ましい。受光器１４で計測した受光量は数値化できることが好ましく、受光量の変化を記録できる電子機器と接続されることが好ましい。

偏光軸方向測定装置１は、光源ユニット１２において偏光子１１を備えているが、これにより、重畳した各偏光分離体の偏光軸方向を簡便に検出できる他、回転機構を備えたサンプルホルダー１５の回転角度と偏光子１１および検光子１３の偏光軸角度の関係が明確となる。基準サンプルとして、偏光子１１以外に位相差板も用いることが可能となり、基準サンプルの選択肢の拡大が可能となる。また、光源ユニット１２を用いることにより、測定光の偏光状態を制御できるため、測定精度を向上できる。

光源ユニット１２は、所定の直線偏光を出光可能な機構を有していればよく、たとえば、ＬＥＤ等の低偏光度の光を発する光源１０と直線偏光子を組み合わせて作製することもできる。また、高偏光度の直線偏光を発するレーザーを光源１０として用いることも可能である。

また、光源ユニット１２は、所定の波長の光を出光する機構を有することができる。例えば、ダイクロイックミラーを利用して所定の光を取り出して利用することも可能である。光の波長としては、測定サンプルを利用する環境を想定することが好ましく、多くの場合は、可視光を用いることとなるが、制限はない。その他、レンズ、反射鏡といった光学的機能を有する部材を用いることが可能であり、平行光を測定サンプルに照射することが好ましい。

また、受光器１４の構成に制限は特になく、受光器１４に接続される受光量の変化を記録できる電子機器も適宜選択可能である。このような電子機器は、任意に設定したサンプルホルダー１５の回転角度における受光量を複数測定し、その測定結果から近似される２次関数を算出できるような偏光軸方向演算手段を有していることが好ましい。

続いて、偏光軸方向測定装置１による偏光測定軸の測定方法について説明する。

図２は、偏光軸方向測定装置１におけるサンプルホルダー１５を説明するための図である。図２に示すように、サンプルホルダー１５は、円形状の回転ステージ１５１で構成されている。回転ステージ１５１中央には、光源ユニット１２から出光した測定光を測定サンプルに照射するための測定光通過窓１５２が設けられている。回転ステージ１５１は、測定光通過窓１５２の中心を通り、測定サンプルに垂直な軸を回転軸として回転する。

回転ステージ１５１上には、測定サンプルの基準辺の方向とサンプルホルダー１５の回転角度とを一致させるための複数の基準線１５３ａ〜１５３ｌが設けられている。基準線１５３ａ〜１５３ｆと基準線１５３ｇ〜１５３ｌとは、それぞれ直交する。これらの基準線１５３ａ〜１５３ｌのいずれかに基準サンプルや測定サンプルの基準辺を合わせるようにサンプルをセットする。

また、回転ステージ１５１の外周側面に接するように、インジケータ１５４が設置されている。インジケータ１５４は、たとえば、副尺式の測微計で構成され、回転ステージ１５１の回転角度を示す。

（基準サンプルの測定）
偏光軸方向測定装置１が備える偏光子１１および検光子１３をクロスニコルとした後、基準サンプルの基準辺と回転ステージ１５１の基準線１５３ａ〜１５３ｌのいずれかが一致するように、基準サンプルをサンプルホルダー１５に置く。基準サンプルとしては、偏光子あるいは複屈折性の位相差板を利用できるが、基準辺に対する偏光軸方向ないし光軸方向が既知のものでなければならない。基準辺に対する偏光軸ないし光軸の許容差（公差）は小さいことが、測定精度の観点から好ましく、誘電体積層型の偏光ビームスプリッターや無機系の位相差板等を用いることが好ましい。

このような基準サンプルを保持した回転テーブル１５１を回転させると、インジケータ１５４により低透過強度となる回転角度Ａが検出される。図３は、基準サンプルの透過強度と回転角度との関係の一例を示すグラフである。基準サンプル（図３において、偏光板または位相差板）を回転させると、暗状態の偏光子１１および検光子１３から光漏れが生じることにより、図３に示すグラフが形成される。図３のグラフにおいて、縦軸は明るさ（透過強度）であり、横軸は回転テーブル１５１の回転角度である。また、図３のグラフから読み取ることができる回転角度Ａは、０度，９０度，１８０度である。

回転角度Ａを検出することにより、偏光子１１および検光子１３の偏光軸と、サンプルホルダー１５の角度との関係を確認することができる。

（測定サンプルの測定）
次に、測定サンプルの測定と偏光軸角度の算出を行う。まず、サンプルホルダー１５における回転テーブル１５１上に測定サンプルを置く。測定サンプルは、偏光分離体２つを重畳したものでも、偏光分離体単体でも構わないが、以下においては、偏光分離体２つを重畳したものを測定サンプルとして偏光軸方向を測定する場合を示す。

偏光軸方向測定装置１によれば、測定サンプルである偏光分離体の重畳体は、偏光子１１または検光子１３とクロスニコルとなる方向があるため、測定サンプルを回転テーブル１５１とともに回転させることにより、その透過光強度の変化から偏光軸を判別することができる。

まず、回転テーブル１５１とともに測定サンプルを回転させて、透過光強度（受光量）がおおむね最小となる仮の回転角度を決定する。そして、偏光軸方向演算手段は、この仮の回転角度を中心として、複数の回転角度で受光量を測定し、回転角度と受光量から近似される２次関数を算出することにより、最低受光量となる回転角度Ｂを算出する。

図４は、測定サンプルの透過光強度（輝度値）と回転角度との関係の一例を示すグラフである。図４のグラフにおいて、縦軸は輝度値、横軸は回転テーブル１５１の回転角度をあらわす。図４に示すグラフは、たとえば、５点の測定結果から２次曲線を近似することにより算出できる。このグラフにおいて、最低輝度値となるときの角度（回転角度Ｂ）が、測定サンプルの偏光軸角度である。

また、重畳体を構成する各偏光分離体と、偏光子１１または検光子１３がクロスニコルとなる方向は２方向あり、この２方向の角度方向が重畳体を構成する各偏光分離体の偏光軸方向となる。したがって、回転角度Ｂを算出後、さらに回転テーブル１５１を回転させることにより、２つめのクロスニコルとなる角度を検出できる。

たとえば、測定サンプルを回転角度Ｂから回転角度が＋となる方向にさらに回転させると、回転角度Ｂから１８０度以内に、受光量がおおむね最小となる回転角度がある。これを仮の回転角度とし、再度、複数の回転角度で受光量を測定する。そして、偏光軸方向演算手段は、回転角度と受光量から近似される２次関数を算出することにより、最低受光量となる回転角度Ｃを算出する。ここで、回転角度が−となる方向に回転させても、回転角度Ｃを算出できる。

以上のように求めた回転角度Ａ、ＢおよびＣより、以下の式（１）〜（３）を用いて、重畳した各偏光分離体間の偏光軸方向を算出できる。
式（１）
（偏光軸角度Ｄ）＝｜回転角度Ｂ−回転角度Ａ｜
式（２）
（偏光軸角度Ｅ）＝｜｜回転角度Ｃ−回転角度Ａ｜−９０度｜
式（３）
（偏光軸方向差）＝｜偏光軸角度Ｄ−偏光軸角度Ｅ｜

式（３）により算出される偏光軸方向差によって、偏光分離体２つを重畳したものを測定サンプルとした場合の、それぞれの軸方向のずれを簡易かつ高精度に測定することができる。

ここで、測定サンプルに偏光軸方向差が生じる場合の、測定サンプルを構成する第１サンプルおよび第２サンプルとの関係を、図５〜図７を用いて説明する。この例において、第１サンプルおよび第２サンプルは、いずれも偏光板である。測定サンプルは、第１サンプルおよび第２サンプルが重畳されて構成されている。

図５〜図７は、第１サンプル、第２サンプルおよび測定サンプルの透過光量と偏光板角度との関係の一例を示すグラフである。図５〜図７のグラフにおいて、縦軸は透過光量、横軸は偏光板角度（度）をあらわす。また、図５〜図７において、第１サンプルのグラフ１０１および第２サンプルのグラフ１０２は、偏光軸方向測定装置１における偏光子１１の位置を固定した状態で、第１サンプル、第２サンプルをそれぞれ回転させた場合の透過光量の変化を示す。より具体的には、例えば、第１サンプルが偏光子１１側にある場合の第一サンプルと偏光子１１の透過光量変化をグラフ１０１に示し、第２サンプルが検光子１３側にある場合の第２サンプルと検光子１３の透過光量変化をグラフ１０２に示す。また、図５〜図７において、測定サンプルのグラフ１０３は、第１サンプルおよび第２サンプルを同時に回転させた場合の、受光器１４に入光する受光量の変化を示す。なお、図５〜図７に示す透過光量は相対値であって、第１サンプルの透過率×第２サンプルの透過率＝測定サンプルの透過率となる。

図５は、第１サンプルと第２サンプルとが平行に重畳されているため、偏光軸方向差が無く、測定サンプルならびに偏光子１１および検光子１３が高偏光度である場合のグラフを示している。

図６は、第１サンプルと第２サンプルとの偏光軸方向差が１０度であり、測定サンプルならびに偏光子１１および検光子１３が高偏光度である場合のグラフを示している。

図７は、第１サンプルと第２サンプルとの偏光軸方向差が５度であり、測定サンプルおよび偏光子１１と第１サンプルの両方、またはいずれか一方が低偏光度であり、検光子１３は高偏光度である場合のグラフを示している。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である

１偏光軸方向測定装置
１０光源
１１偏光子
１２光源ユニット
１３検光子
１４受光器
１５サンプルホルダー
１５１回転テーブル
１５２測定光通過窓
１５３基準線
１５４インジケータ

Claims

偏光子を含み、所定の直線偏光を出光する光源ユニットと、前記光源ユニットとクロスニコルに配置される検光子と、受光器と、偏光分離体の重畳体である板状の測定サンプルを保持し、前記測定サンプルに垂直な軸を回転軸とする回転により前記測定サンプルの回転角度を変更する、前記光源ユニットと前記検光子との間に設置されるサンプルホルダーと、を備え、
前記サンプルホルダーにより前記測定サンプルを回転させたときの複数の回転角度における受光量から、最低受光量となる第１の回転角度を算出する偏光軸方向演算手段を有し、
前記偏光軸方向演算手段は、前記光源ユニットおよび前記検光子の偏光軸と、前記サンプルホルダーの角度との関係を示す基準回転角度と、前記第１の回転角度と、前記第１の回転角度から前記測定サンプルを回転角度が＋または−となる方向に回転させたときの複数の回転角度における受光量から算出される最低受光量となる第２の回転角度と、に基づいて前記測定サンプルを構成する各偏光分離体間の偏光軸方向を算出することを特徴とする偏光軸方向測定装置。
前記光源ユニットは、所定の波長の光を出光する機構を有することを特徴とする請求項１に記載の偏光軸方向測定装置。
前記光源ユニットは、直線偏光を出光するレーザーを光源とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏光軸方向測定装置。
前記偏光軸方向演算手段は、複数の回転角度で受光量を測定し、前記回転角度と前記受光量から近似される２次関数を算出することにより、最低受光量となる前記第１の回転角度または前記第２の回転角度を算出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の偏光軸方向測定装置。
偏光子を含み、所定の直線偏光を出光する光源ユニットと、前記光源ユニットとクロスニコルに配置される検光子との間に設置されたサンプルホルダーに、偏光分離体の重畳体である板状の測定サンプルを設置して、
偏光軸方向演算手段によって、前記サンプルホルダーにより前記測定サンプルを回転させたときの複数の回転角度における受光量から、最低受光量となる第１の回転角度を算出する工程と、
前記偏光軸方向演算手段によって、前記光源ユニットおよび前記検光子の偏光軸と、前記サンプルホルダーの角度との関係を示す基準回転角度と、前記第１の回転角度と、前記第１の回転角度から前記測定サンプルを回転角度が＋または−となる方向に回転させたときの複数の回転角度における受光量から算出される最低受光量となる第２の回転角度と、に基づいて前記測定サンプルを構成する各偏光分離体間の偏光軸方向を算出する工程と、を含むことを特徴とする偏光軸方向測定方法。