CN100383499C - 用于测量液晶单元参数的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于确定任意扭曲向列液晶(LC)单元的扭曲角(φ)和迟延值(dΔn)的三种测量方法和装置。这些方法使用一个单色光源，例如激光束。只通过调整偏光器和LC单元的方向来获得数据，利用所获得的数据进行数据适配，这样就可以获得扭曲角和迟延值。不需要迟延波板。

Description

用于测量液晶单元参数的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种测量扭曲向列液晶器件的参数的新颖方法，该参数包括扭曲角、扭曲方向和迟延值(定义为单元间隔和液晶重折率的乘积)。还公开了用于进行这些测量的装置。

背景技术

传统的液晶显示器包括扭曲向列(TN)和超级扭曲向列(STN)液晶显示器，它们有几个重要的设计参数，包括液晶校准的扭曲角φ，以及迟延值，该迟延值被定义为该液晶材料的单元间隔d和重折率Δn的乘积(dΔn)。它们是确定该液晶显示器的光学性能的两个重要参数。因此确定这两个参数的能力对于产品开发和质量保证是很重要的。

已经建议了一些测量方法，并且在商业上可得到这样的设备。这些测量方法可以被分成两种类型：一种需要光谱测量，另一种使用单色光源。所有这些方法都使用琼斯矩阵作为数学工具。商业上可买到的测量设备通常使用光谱方法。这些机器可以测量LCD的扭曲角、扭曲方向和迟延值，而无需事先知道该液晶显示器(LCD)的摩擦(rubbing)方向。前述的单色光源方法受限制较多，并且只能用已知的扭曲角来测量液晶单元的单元间隔。一种波板补偿方法也可以用于测量一个未知的LCD的扭曲角和单元间隔。还建议了一种不用波板来确定TN结构的方法，它使用一种转动检偏器的方法。然而不能确定扭曲方向。

发明内容

本发明提供了测量任意未知的LCD的扭曲角、迟延和扭曲方向的方法，不必使用任何波板，也不必事先知道该LCD的摩擦状态。它使用一种单色光源，因此容易实现，并且安装简单。

根据本发明，所提供的获得液晶单元的扭曲角和迟延值的方法包括：将液晶单元放置在第一个偏振器和用作为检偏器的第二个偏振器之间；提供一个输入端单色光源以及提供测量通过该检偏器的光的装置，以及：

(a)以任意固定角度固定该偏振器-检偏器角度α₀；

(b)旋转该液晶单元，同时记录光的传输；

(C)记录步骤(b)中的传输最大值(K₁(α₀)+K₂)和最小值(K₁(α₀))；以及

(d)求解方程：

$K_1\left({\mathrm{\α}}_0\right)={\{\cos \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)+\frac{\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)}{\sqrt{1+r^2}}\}}^2$

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}$

同时用图形或数字方式来获得(φ，dΔn)。

根据本发明，进一步提供了一种获得液晶单元的扭曲角和迟延值的方法，该方法包括：将液晶单元放置在第一个偏振器和用作为检偏器的第二个偏振器之间；提供一个输入端单色光源以及用于测量通过该检偏器的光的装置；以及：

(a)将该偏振器固定在所述单元的特性方向上，由此确定所述方向之间的角度(ψ)；

(b)旋转该液晶单元，同时记录通过该检偏器的光。

(c)获得传输的最小值(1-K₂)，然后求解方程：

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}$

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})$

同时用图形或数字方式来获得(φ，dΔn)。

根据本发明，进一步提供了获得液晶单元的扭曲角和迟延值的方法，该方法包括：将所述液晶单元放置在一个水平偏振器和一个斯托克斯计(Stokesmeter)之间，并且提供一个单色光输入光源；以及

(a)转动该液晶单元，同时记录该斯托克斯参数，以及

(b)获得S1的最大值和最小值，然后求解方程：

$K_1\left({\mathrm{\α}}_0\right)={\{\cos \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)+\frac{\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)}{\sqrt{1+r^2}}\}}^2$

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}$

以通过下列方程获得(φ，dΔn)

$I_{//}=\frac{1+S_1}{2},$ 或者

(c)获得S2的最大值和最小值，然后求解方程：

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}$

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})$

以通过下列方程来获得(φ，dΔn)

$I_{45}=\frac{1+S_2}{2},$ 或者

(d)获得该特性角ψ和最大值|S₃|，然后求解方程：

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})$

S₃＝±J/cos(φ-ψ)

同时获得(φ，dΔn)。

根据本发明，进一步提供了用液晶旋转方法来获得液晶单元的平均倾角的方法，该方法包括：将所述的液晶单元放置在一个水平偏振器和一个斯托克斯计之间，并且提供一个单色光输入光源；以及

(a)转动该液晶单元，同时记录斯托克斯(Stokes)参数，

(b)按照旋转角来测量迟延最大值，以计算平均倾角。

根据本发明，进一步提供了一种获得液晶单元的特性方向的方法，该方法包括：将液晶单元放置在第一个偏振器和用作为检偏器的第二个偏振器之间；提供一个输入端单色光源以及提供测量通过该检偏器的光的装置，以及：

(a)将检偏器对准到与偏振器相同的方向；

(b)转动液晶单元，以获得传输最大值，其中输入偏光器将两个特性方向进行切分(bisect)；

(c)利用偏振器、等分器(bisector)、和对准相同取向的检偏器，以1∶2的幅度比来旋转液晶单元和检偏器，直到获得最大传输，其中，偏振器和检偏器分别在主要和次要特征方向上。

根据本发明，进一步提供了一种获得液晶单元的特性方向的方法，该方法包括：将液晶单元放置在偏振分束器和用作为检偏器的偏振器之间；提供一个输入端单色光源，以及提供测量通过该液晶单元的光的第一光检测器和检测从该液晶单元反射的光的第二光检测器，以及：

(a)旋转液晶单元，直到第二光检测器测量到零强度，其中，输入极化处于主要特性方向；

(c)固定该液晶单元，然后使检偏器旋转，以获得第一光检测器的最大读取值，其中，检偏器处于次要特性方向。

根据本发明，进一步提供了一种获得反射液晶单元的迟延值的方法，该方法包括：将液晶单元放置在偏振分束器和用作为检偏器的偏振器之间；提供一个输入端单色光源，以及提供测量通过该液晶单元的光的第一光检测器和检测从该液晶单元反射的光的第二光检测器，以及：

(a)转动该反射液晶单元，直到第二光检测器测量到零强度；

(b)通过求解下列方程可获得迟延值：

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan 2{\mathrm{\α}}^{*}$

其中，利用了预先知道的扭曲角和摩擦方向。

根据本发明的另一方面，提供了用于测量液晶单元的扭曲角和迟延值的装置，该装置包括：一个单色光源；一个输入偏振器；在测试时旋转液晶单元的旋转装置(rotary stage)；输出检偏器的旋转装置；用于检测传输强度的光检测器；以及一台计算机，用于控制这些旋转装置，接收来自光检测器的数据，并且编程来求解下列方程：

$K_1\left({\mathrm{\α}}_0\right)={\{\cos \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)+\frac{\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)}{\sqrt{1+r^2}}\}}^2,$

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β},\mathrm{and}$

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ}).$

根据本发明，提供了用于测量液晶单元的扭曲角和迟延值以及倾角的装置，该装置包括：一个单色光源；一个输入偏振器；在测试时旋转液晶单元的旋转装置；用于测量输出光的斯托克斯参数的斯托克斯计；以及一台计算机，用于控制旋转装置，接收来自斯托克斯计的数据，并且用来求解下列方程：

$K_1\left({\mathrm{\α}}_0\right)={\{\cos \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)+\frac{\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)}{\sqrt{1+r^2}}\}}^2,$

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β},$

$I_{//}=\frac{1+S_1}{2},$

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ}),$

$I_{45}=\frac{1+S_2}{2},$

S₃＝±J/cos(φ-ψ).

根据本发明，进一步提供了用于测量液晶单元的扭曲角和迟延值的装置，该装置包括：一个单色光源；一个输入偏振分束器；在测试时旋转液晶单元的旋转装置；特性角调节的部分反射镜(partialmirror)；输出检偏器的旋转装置；用于检测传输强度的第一光检测器；用于检测反射光强度的第二光检测器；以及一台计算机，用于控制旋转装置，接收来自光检测器的数据，并且用来求解下列方程：

$K_1\left({\mathrm{\α}}_0\right)={\{\cos \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)+\frac{\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)}{\sqrt{1+r^2}}\}}^2,$

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β},$

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan 2{\mathrm{\α}}^{*},$

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ}).$

附图说明

本发明的一些实施例将通过实例并参考附图来描述，附图中：

图1表示本发明的第一实施例；

图2表示本发明的第二实施例；

图3表示本发明的第三实施例；

图4表示用彭加勒(Poincare)球绘制的LC单元的典型的圆；

图5是一个示意图，表示对于每一特性方向对，存在两个对应于左和右扭曲的特性角度ψ+和ψ-。

图6表示具有图4所给出参数的两个TN单元和一个STN单元的正弦曲线，虚线表示α₀＝0的平行偏振器结构的结果，实线表示α₀＝45°的45°检偏器结构的结果；

图7表示利用平行偏振器对方程(4)和(5)的求解位置；

图8是一个示意图，表示当检偏器角度等于π/4时STN显示器的方程(4)和(5)的求解位置；以及

图9是STN显示器的方程(5)和(8)的求解位置。

具体实施方式

在此公开的本发明提供了用于测量扭曲向列液晶器件的扭曲角、迟延和扭曲方向的检测方法和装置。一个单色光源被使用。不需要波板。第一种方法仅使用有固定角度的一对偏振器和一个光检测器。通过测量传输的最大值和最小值，并求解一组方程，就可获得扭曲角和LC单元迟延。第二种方法是使用一种特定结构的偏振器对，并且需要一个传输最小值来求解扭曲角和迟延。第三种方法仅仅使用输入偏振器，并用斯托克斯计来替换前述方法的检偏器和检测器。它仅仅测量系统的斯托克斯参数，用以确定扭曲角、迟延和扭曲方向。

这里，公开了三种类型的结构配置来完成这些测量。第一种类型在直光通路中使用偏振器对和光检测器。第二种类型使用偏振分束器和T形光通路，以适应传输型和反射型LC单元测量。第三种类型使用一个斯托克斯计，来替换用于测量光极性的检偏器和光检测器。

在描述本发明的最佳实施例之前，首先描述本发明的原理。

图1表示本发明的用于极性分析的基本设置。它包括一个单色光源1、一对偏振器2和3、一个光检测器4和被测液晶单元5，该液晶单元5处于上述偏振器之间。

考虑当扭曲向列液晶单元5被放置在偏振器2和3之间时的光传输，由Raynes推导的非常有用的方程为：

$I={\{\cos \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})+\frac{\sin \mathrm{\β}}{\sqrt{1+r^2}}\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})\}}^2+\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}{\cos }^2(\mathrm{\φ}-\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})---\left(1\right)$

其中，α和γ分别为与LC单元输入控制器关联的输入和输出偏振器角度，φ是LC单元扭曲角，β和r被定义为：

$\mathrm{\β}=\mathrm{\φ}\sqrt{1+r^2}$ 以及 $r=\left(\frac{\mathrm{d\Δn}}{\mathrm{\φ\λ}}\right)\mathrm{\π}$

d是单元间隔宽度，Δn是LC重折率，而λ是单色光入射波长。

假设前偏振器和后偏振器之间的角是α₀，使得α₀＝γ-α。从而，方程(1)就变为：

$I={\{\cos \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)+\frac{\sin \mathrm{\β}}{\sqrt{1+r^2}}\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)\}}^2+\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}{\cos }^2(\mathrm{\φ}-2\mathrm{\α}-{\mathrm{\α}}_0)---\left(2\right)$

或其简单形式为：

I(α₀，α)＝K₁(α₀)+K₂cos²(φ-2α-α₀)      (3)

其中：

$K_1\left({\mathrm{\α}}_0\right)={\{\cos \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)+\frac{\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)}{\sqrt{1+r^2}}\}}^2---\left(4\right)$

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}---\left(5\right)$

如果LC单元被旋转，以致于输入偏振器角度逐渐地改变，那么方程(3)表示光传输是一个正弦函数，其最大值为K₁(α₀)+K₂，其最小值为K₁(α₀)。注意正弦曲线的振幅被定义为最大值减最小值，它是具体LC单元的特性。它不随偏光器-检偏器角度α₀而改变，并且总是等于K₂。另一方面，正弦曲线的最小值K₁(α₀)是偏振器-检偏器角度α₀的函数。图6示出了这种情形。

通过用不同的偏光器-检偏器角度α₀进行上述分析，可以产生几种确定(φ，dΔn)的方法，在下面的描述中它们将变得更清楚。

通常，对于进入到扭曲向列LC单元的一个线性偏振光输入，输出偏振是椭圆的。然而已经发现总是存在一种LC单元方向，其输出光也是线性偏振的。在经过一个扭曲向列LC单元之后线性偏振的输入光仍然呈现线性的状态，在引用参考文献中被称为LP2状态。它有下列形式：

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan 2{\mathrm{\α}}^{*}---\left(6\right)$

γ^*＝φ-α^*          (7)

其中δ＝πdΔn/λ。α^*和γ^*分别是输入和输出线性偏振光的方向。它们也被称为LC单元的主要和次要的特性方向。

假设在这些特性方向之间的角度是ψ＝γ^*-α^*＝φ-2α^*，那么，方程(6)可以改写为：

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})---\left(8\right)$

对于确定(φ，dΔn)的特性角度方法，方程(8)是重要的。

下面将详细描述这些最佳实施例。

图1表示这种新的LCD测量方法的第一最佳实施例。该装置包括一个单色光源1、一对偏振器2和3、一个光检测器4和正在测试中的液晶单元5，它位于偏振器2和3的中间。方程(3)将该光源的传输强度与不同的元件方向和LC单元参数(φ，dΔn)关联。如果该偏振器-检偏器角度为α₀ισφιξεδ并且旋转该LC单元，同时记录输出光的传输强度，那么可以获得K₁(α₀)和K₂。通过同时求解方程(4)和(5)，就可确定(φ，dΔn)。这是第一测量方法，即固定角度方法。通常它包括下列步骤：

1.用图1所示的设备设置，固定偏振器-检偏器角度α₀；

2.旋转LC单元5，同时记录的光检测器4进行读取。

3.记录步骤2中的传输最大值和最小值，

4.同时求解方程(4)和(5)，以用图形或数字方式来获得(φ，dΔn)。

图7表示求解位置(space)的坐标图，其中利用了平行偏光器，即α₀＝0。通常，在大参数位置找到多重解。然而，如果使用一种最初的正确推测，则唯一解就确定了。对于平行(或垂直)偏振器，扭曲方向是不能确定的。然而，如果α₀≠0也不为π/2，那么扭曲方向的不确定性可被排除。

在第一最佳实施例中，偏振器-检偏器角度α₀可以设置为零或π/4，以简化数据分析和φ及dΔn的求解。然而，α₀也可以选择其它的角度。

在本发明的第二最佳实施例中，所用的光学组件和装备与第一最佳实施例相同。然而，偏振器和检偏器之间的角度α₀被设置为特殊值ψ，即通常所说的LC单元5的特性角。这也可以称为特性角方法。偏振器2被设置到一个方向，以致于经过LC单元5以后，线性偏振的输入光仍保持线性。这种概念(idea)是在方程(6)中获得LP2状态。检偏器3的取向平行于输出线性极化方向。在LC单元参数和特性角ψ之间的关系由方程(8)来确定。

在这种状态下，传输是一致的。如果LC单元被旋转，传输将由下列方程描述：

I(α)＝1-K₂sin²2(φ-2α-Ψ)          (9)

此外，它有一个正弦曲线振动函数。该测量曲线的最大值等于1，并且最小值等于(1-K₂)。用已知的K₂和ψ就能同时解方程式(5)和(8)，得到(φ，dΔn)。值得说明的是，总是有两个ψ值(ψ-，ψ+)与该LC单元的左和右扭曲对应，如图5所示。因此，利用该方法获得LCD参数的过程包括：

1.利用如图1所示的设置和特性方向的偏振器，就可获得ψ。

2.旋转LC单元5，同时记录光检测器4进行读取。

3.获得传输的最小值以及ψ，然后同时求解方程式(5)和(8)，以获得(φ，dΔn)。

上述步骤1中获得特性方向的方法包括下列步骤：

1.将检偏器对准到与偏振器相同的方向。

2.旋转LC单元5，以获得传输的最大值。在这种状态之下，该输入偏振器将两个特性方向进行对分(bisect)。

3.利用偏振器2、等分器、和目前对准相同取向的检偏器3，以1∶2的幅度比来旋转LC单元5和检偏器3，直到获得最大传输。偏振器2和检偏器3分别在主要和次要的特性方向上。

图2表示本发明的第三最佳实施例。这不是如图1所示的直通型设置，而是适用于测量传输型和反射型LCD的T形通用设置。对于传输型LC单元，该实施例能实现前面两个实施例中描述的测量方法。为了实现固定角度方法的测量，将检偏器3设置为固定的已知角，然后旋转LC单元5，以在检测器4中获得传输的最大值和最小值。为了实现特性角方法的测量，该特性角结构通过如下描述的过程可容易地设置。

1.首先旋转LC单元，直到光检测器8测量到零强度。则输入极化处于主要特性方向。

2.固定LC单元5，然后旋转检偏器3，从而获得检测器4的读数达到最大值。然后该检偏器处于次要的特性方向。

对于反射型LC单元，在具有内部反射器的特定扭曲向列LC单元中，下列过程可以确定迟延：

1.旋转反射型LC单元5，直到检测器8获得零强度。

2.通过用预先知道的扭曲角和摩擦方向求解方程(6)，就可获得迟延值。

在第一最佳实施例中描述的测量方法需要测量两个强度来求解(φ，dΔn)，而在第二个最佳实施例中需要测量一个强度和特性角ψ来求解(φ，dΔn)。第三最佳实施例使用与上述两个最佳实施例类似的方法来确定(φ，dΔn)，但是采用了T形光通路。为了避免直接的强度测量，如图3所示，一种新的结构配置是用一个斯托克斯计来替代检偏器3和检测器4。只要转动LC单元5，取得斯托克斯参数，就可实现上述两种测量方法。这就是第四最佳实施例。

下列物理事实是有助于理解这些斯托克斯参数方法。就是说，在任意扭曲向列LC单元正在转动之时，斯托克斯矢量在Poincare球体的S₁-S₂平面上画了个圆圈。这是LC单元的特性圆。在图4中示出了一些典型的例子。为了模拟α₀＝0时的第一测量方法，只有特性圆的S1值是必要的。S₁值与传输强度的对应关系如下。

$I_{//}=\frac{1+S_1}{2}---\left(10\right)$

为了模拟α₀＝45°时的第二测量方法，我们有下列方程：

$I_{45}=\frac{1+S_2}{2}---\left(11\right)$

为了模拟特性角结构测量方法，特性圆的方位角等于特性角ψ，于是，最大值|S₃|可以替换所需要的最小强度。

用已知的特性角ψ和最大的|S₃|值，通过方程(8)和(12)可以求解到(φ，dΔn)。

S₃＝±J/cos(φ-ψ)       (12)

其中

$J=\frac{-\mathrm{\δ}\sin 2\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}---\left(13\right)$

斯托克斯参数测量方法的一般过程如下：

1.利用图3所示的设置。

2.旋转LC单元5，同时记录斯托克斯参数。

3.获得S1的最大值和最小值，然后求解方程(4)和(5)，以通过方程(10)获得(φ，dΔn)。

4.或者获得S2的最大值和最小值，然后求解方程(5)和(8)，以通过方程(11)获得(φ，dΔn)。

5.或者获得特性角ψ和最大值|S₃|，然后同时求解方程(8)和12)，以获得(φ，dΔn)。

除了上述功能外，如图3所示的该结构配置还可以被用于通过晶体旋转法来估计一个LC单元的平均倾角。下面描述的过程可以被实现。

1.利用图3所示的设置。

2.旋转LC单元5，同时记录斯托克斯参数。这时，转动轴垂直于光通路。

3.利用相对于旋转角度的迟延最大值来计算平均倾角。

对于所有的上述方法和结构配置，总是可以使用多于一个的单色光源来复核实验的结果。双波长还可以用于消除不确定性。这是第五最佳实施例。

综上所述，公开了三个测量方法，即固定角度方法、特性角方法和斯托克斯参数方法。同时公开了用于LC单元参数测量的三种结构配置，即直通路结构、通用的T形结构和斯托克斯计结构。还存在获得LC单元的特性方向的两种方法。

上述本发明可以以其它特定的形式实现，而不偏离本发明的精神或基本特征。因此这些实施例被认为是从各方面来说明本发明，但是并不限制本发明。本发明的范围由附带的权利要求来确定，而不是由上面的描述和所有变化来确定，这些变化都包含在权利要求书的含意和范围内。

Claims (11)

1.一种获得液晶单元的扭曲角和迟延值的方法，包括：将液晶单元放置在第一偏振器和用作为检偏器的第二偏振器之间；提供一个输入端单色光源以及用于测量通过该检偏器的光的装置，以及：

(a)以任意固定角度固定偏振器-检偏器角度α₀；

(b)旋转所述液晶单元，同时记录光的传输；

(c)记录步骤(b)中的传输最大值(K₁(α₀)+K₂)和最小值(K₁(α₀))，

并且

(d)求解方程：

$K_1\left({\mathrm{\α}}_0\right)={\{\cos \mathrm{\β}\cos \left(\mathrm{\φ}{-\mathrm{\α}}_0\right)+\frac{\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)}{\sqrt{1+r^2}}\}}^2$

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}$

同时用图形或数字方式来获得(φ，dΔn)；

其中，所述偏振器-检偏器角度α₀是第一偏振器的偏振方向与第二偏振器的偏振方向之间的角度；

φ是该液晶单元的扭曲角；

$r=\left(\frac{\mathrm{d\Δn}}{\mathrm{\φ\λ}}\right)\mathrm{\π}$

d是单元间隔；

Δn是液晶单元的重折率；

λ是单色光的波长；以及

$\mathrm{\β}=\mathrm{\φ}\sqrt{1+r^2}.$

2.一种获得液晶单元的扭曲角和迟延值的方法，包括：将液晶单元放置在第一偏振器和用作为检偏器的第二偏振器之间；提供一个输入端单色光源以及用于测量通过该检偏器的光的装置，以及：

(a)将这些偏振器固定在所述单元的特性方向上，因此就确定了所述特性方向之间的角度ψ；

(b)旋转该液晶单元，同时记录通过该检偏器的光；

(c)获得传输的最小值(1-K₂)，然后求解方程：

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}$

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})$

同时用图形或数字方式来获得(φ，dΔn)；

其中，φ是该液晶单元的扭曲角；

$r=\left(\frac{\mathrm{d\Δn}}{\mathrm{\φ\λ}}\right)\mathrm{\π}$

d是单元间隔；

Δn是液晶单元的重折率；

λ是单色光的波长；以及

$\mathrm{\β}=\mathrm{\φ}\sqrt{1+r^2}$

δ＝πdΔn/λ

ψ是液晶单元的特性方向之间的角度。

3.一种获得液晶单元的扭曲角和迟延值的方法，包括：将所述液晶单元放置在一个水平偏振器和一个斯托克斯计之间，并且提供一个单色光输入光源；以及

(a)转动该液晶单元，同时记录斯托克斯参数，以及

(b)获得S₁最大值和S₁最小值，通过使用以下方程，由S₁最大值和S₁最小值计算传输强度的最大值(K₁(α₀)+K₂)和最小值(K₁(α₀))

$I_{11}=\frac{1+S_1}{2}$

然后求解方程：

$K_1\left({\mathrm{\α}}_0\right)={\{\cos \mathrm{\β}\cos \left(\mathrm{\φ}{-\mathrm{\α}}_0\right)+\frac{\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)}{\sqrt{1+r^2}}\}}^2$

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}$

从而获得(φ，dΔn)；

其中，

I₁₁是传输强度；

S₁是第一斯托克斯参数；

φ是该液晶单元的扭曲角；

$r=\left(\frac{\mathrm{d\Δn}}{\mathrm{\φ\λ}}\right)\mathrm{\π}$

d是单元间隔；

Δn是液晶单元的重折率；

λ是单色光的波长；以及

$\mathrm{\β}=\mathrm{\φ}\sqrt{1+r^2}.$

4.一种获得液晶单元的扭曲角和迟延值的方法，包括：将所述液晶单元放置在一个水平偏振器和一个斯托克斯计之间，并且提供一个单色光输入光源；以及

(a)转动该液晶单元，同时记录斯托克斯参数，以及

(b)获得S₂最大值和S₂最小值，以及基于S₂最大值、S₂最小值和以下方程计算传输强度的最大值(K₁(α₀)+K₂)和最小值(K₁(α₀))：

$I_{45}=\frac{1+S_2}{2}$

然后求解方程：

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}$

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})$

从而获得(φ，dΔn)；

其中，φ是该液晶单元的扭曲角；

S₂是第二斯托克斯参数；

$r=\left(\frac{\mathrm{d\Δn}}{\mathrm{\φ\λ}}\right)\mathrm{\π}$

I₄₅是传输强度；

d是单元间隔；

Δn是液晶单元的重折率；

λ是单色光的波长；以及

$\mathrm{\β}=\mathrm{\φ}\sqrt{1+r^2}$

δ＝πdΔn/λ

ψ是液晶单元的特性方向之间的角度。

5.一种根据权利要求1所述方法来测量液晶单元的扭曲角和迟延值的装置，包括：单色光源；输入偏振器；用于旋转被测液晶单元的旋转装置；输出检偏器的旋转装置；用于检测传输强度的光检测器；以及计算机，用于控制这些旋转装置，接收来自光检测器的数据，并且已被编程，以便求解下列方程：

$K_1\left({\mathrm{\α}}_0\right)={\{\cos \mathrm{\β}\cos \left(\mathrm{\φ}{-\mathrm{\α}}_0\right)+\frac{\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)}{\sqrt{1+r^2}}\}}^2$

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}.$

6.一种根据权利要求2所述方法来测量液晶单元的扭曲角和迟延值的装置，包括：单色光源；输入偏振器；用于旋转被测液晶单元的旋转装置；输出检偏器的旋转装置；用于检测传输强度的光检测器；以及计算机，用于控制这些旋转装置，接收来自光检测器的数据，并且已被编程，以便求解下列方程：

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}$

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ}).$

7.一种根据权利要求3所述方法来测量液晶单元的扭曲角和迟延值的装置，包括：单色光源；输入偏振器；用于旋转被测液晶单元的旋转装置；用于测量输出光的斯托克斯参数的斯托克斯计；以及计算机，用于控制这些旋转装置，接收来自斯托克斯计的数据，并且用来求解下列方程：

$K_1\left({\mathrm{\α}}_0\right)={\{\cos \mathrm{\β}\cos \left(\mathrm{\φ}{-\mathrm{\α}}_0\right)+\frac{\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)}{\sqrt{1+r^2}}\}}^2$

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}$ $I_{11}=\frac{1+S_1}{2}.$

8.一种根据权利要求4所述方法来测量液晶单元的扭曲角和迟延值的装置，包括：单色光源；输入偏振器；用于旋转被测液晶单元的旋转装置；用于测量输出光的斯托克斯参数的斯托克斯计；以及计算机，用于控制这些旋转装置，接收来自斯托克斯计的数据，并且用来求解下列方程：

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan (\mathrm{\φ}-\mathrm{\ψ})$

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}$

$I_{45}=\frac{1+S_2}{2}.$

9.一种根据权利要求1所述的方法来测量液晶单元的扭曲角和迟延值的装置，包括：单色光源；输入偏振分束器；用于旋转被测液晶单元的旋转装置；用于调节特性角的部分反射镜；输出检偏器的旋转装置；用于检测传输强度的第一光检测器；用于检测反射光强度的第二光检测器；以及计算机，用于控制这些旋转装置，接收来自这些光检测器的数据，并且用来求解下列方程：

$K_1\left({\mathrm{\α}}_0\right)={\{\cos \mathrm{\β}\cos \left(\mathrm{\φ}{-\mathrm{\α}}_0\right)+\frac{\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}-{\mathrm{\α}}_0)}{\sqrt{1+r^2}}\}}^2$

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}.$

10.一种根据权利要求2所述的方法来测量液晶单元的扭曲角和迟延值的装置，包括：单色光源；输入偏振分束器；用于旋转被测液晶单元的旋转装置；用于调节特性角的部分反射镜；输出检偏器的旋转装置；用于检测传输强度的第一光检测器；用于检测反射光强度的第二光检测器；以及计算机，用于控制这些旋转装置，接收来自这些光检测器的数据，并且用来求解下列方程：

$K_2=\frac{r^2}{1+r^2}{\sin }^2\mathrm{\β}$

$\frac{\mathrm{\φ}}{\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}}\tan \sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\φ}}^2}=\tan 2\mathrm{\α}$

其中α是输入偏振器相对于液晶单元输入控制器的角度。

11.根据权利要求5至10中任一项所述的装置，包括两个或多个单色光源。

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