CN101762891A - 液晶单元的光学特性测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液晶单元的光学特性测量系统及其方法，系统包含发出一个具有多波长的发射光的光源、一个用于将该发射光转换为投射于该待测件的偏振光束的投光探头、一个具有第二穿透轴且用于分析从该偏振光束穿透该待测件后而产生的偏振光束的偏振态的收光探头、一用于获取该偏振光束的光谱信号的光谱仪，以及一用于以多个该光谱信号及与各该光谱信号相对应的多个转动角度计算该待测件的光轴方位角度及/或相位差分布的信号分析单元。

Description

液晶单元的光学特性测量系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种液晶单元的光学特性测量系统及其方法。

背景技术

液晶面板所使用的元件中，具有光学双折射特性的元件如液晶层(Liquid Crystal Cell)及光学补偿膜(Compensation Film)等，其光学特性决定液晶显示器影像品质的优劣，而所述元件的光学特性可由偏振片-待测样品-检偏片(Polarizer-Sample-Analyzer；PSA)的系统架构测量。

现有的PSA测量各向异性物质的光轴角度或相位差是在偏振片及检偏片穿透轴平行或垂直情况下同步旋转或旋转待测样品，并利用光侦测器所测量的光强度信号判断其极大或极小值，而信号为极大或极小值的旋转角度即为其光轴角度。然而，现有方法需记录大量数据，且必须扫描足够大的角度范围，以避免外差计算所产生光轴角度测量的误差。故，于需要较高测量速度的产线上，此现有方法是否能应付生产需求尚可存疑。

美国专利公告号US5,532,823中揭露其利用PSA测量架构下测量扭转向列型(Twisted Nematic，TN)液晶面板，其是在给定的扭转角度下，设定偏振片和检偏片至相对于扭转角度，然后转动液晶面板至最大穿透强度后进行测量。然，此专利揭示的方法与上述现有方法相同，在测量速度上是否能满足生产需求尚可存疑。

如上所述，现有的PSA系统无法精确并快速地对具有光学双折射特性的元件进行检测，有鉴于此，本发明为此提供一解决方案。

发明内容

根据本发明中一实施范例的液晶单元的光学特性测量系统，包含一光源、一投光探头、一收光探头、一光谱仪及一信号分析单元。该光源发出一具有多波长的发射光。该投光探头具一第一穿透轴且用于将该发射光转换为一投射于该待测件的偏振光束。该收光探头具有一第二穿透轴且用于分析从该偏振光束穿透该待测件后而产生的偏振光束的偏振态，其中该第一穿透轴与该第二穿透轴间具一相对角度。该光谱仪用于获取该偏振光束的光谱信号，其中该收光探头耦接于该光谱仪。该信号分析单元用于以多个该光谱信号及与各该光谱信号相对应的多个转动角度计算该待测件的一光轴方位角度及/或一相位差分布，其中各该光谱信号是将该投光探头与该收光探头转动于该转动角度后测量而得。

根据本发明中一实施范例的液晶单元的光学特性测量方法，该方法至少包括以下步骤，在一投光探头的一第一穿透轴与一收光探头的的一第二穿透轴间设定一相对角度；多次旋转该投光探头与该收光探头，并记录其中每次的转动角度与光谱信号；以及依所述旋转角度与所述光谱信号计算该待测件的光轴方位角度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依说明书的内容予以实施，以下以本发明的若干实施范例并配合附图详细说明如后。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举若干实施范例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1显示本发明一实施范例的液晶单元的光学特性测量系统示意图；

图2显示本发明一实施范例的光轴方位角度与偏振片和检偏片的穿透轴的相关位置示意图；

图3显示本发明另一实施范例的液晶单元的光学特性测量系统示意图；

图4显示本发明一实施范例的液晶单元的光学特性测量方法的流程图；及

图5显示本发明另一实施范例的液晶单元的光学特性测量方法的流程图。

主要元件符号说明

100          光学特性测量系统    102       光源

104          偏振片              106       投光探头

108          检偏片              110       收光探头

112          光谱仪              114       信号分析单元

116          光纤束              118       光纤

120          投光探头组          122       光准直透镜

124          待测件              126       收光探头组

128          光聚焦透镜          130       光纤阵列

202          投影面               _____

204、206     穿透轴

300          光学特性测量系统    302       收光探头组

304          收光探头            306       偏光分光镜

308、310     光聚焦透镜

S402～S416   流程步骤

S502～S516   流程步骤

具体实施方式

本发明揭示的技术是用以完成双折射样品的特性测量，以旋转偏振片及检偏片求得样品光轴角度，在演算法上在有限的测量次数下，可有效提高测量准确度的直接求解方法，而不需大量取得测量数据后再拟合数据以求解光轴角度。且根据应用上的不同，通过数学理论运算求解得到相位差资讯。

图1显示本发明一实施范例的液晶单元的光学特性测量系统100示意图。液晶单元的光学特性测量系统100包含发出一具有多波长的发射光(例如：白光)的一光源102、一个具有一第一穿透轴且用于将该发射光转换为一投射于该待测件124的偏振光束的投光探头106、一个具有一第二穿透轴且用于从该偏振光束穿透该待测件后而产生的一偏振光束的偏振态的收光探头110、一用于获取该偏振光束的光谱信号的光谱仪112，以及一用于以多个该光谱信号及与各该光谱信号相对应的多个转动角度计算该待测件124的光轴方位角度及/或相位差分布的信号分析单元114。于本案实施例中，该偏振片104与该检偏片108的穿透轴间被设定一相对角度使得该两垂直偏振光束之一通过该检偏片108。偏振片104是棱镜式偏振片或薄片式偏振片。一实施例中，该检偏片108是棱镜式或薄片式检偏片。

光源102产生具多波长的宽频光束，并利用一光纤束(FiberBundle)116导光成多道的光束，然后通过光纤118耦接至包含多个投光探头106的一投光探头组120。投光探头106另包含一用于准直投射光束的光准直透镜(Collimation Lens)122，使投光探头106可投射一具有线性偏振的平行光束于待测件124。

穿透具双折射特性的待测件124的投射光因相位差的关系使其入射偏振态(State of Polarization)产生变化而形成两相互垂直的偏振光束。

收光探头组126包含多个收光探头110，其与该投光探头组120对应设置。收光探头110内另包含一用于将该偏振光束聚焦的光聚焦透镜(Focusing Lens)128。收光探头110可通过旋转将两个相互垂直的偏振光束聚焦耦合收进一连接至光谱仪112的光纤阵列130中。在本案实施例中，光谱仪112是可以同步分析多待测点的光谱强度资讯的多通道光谱仪，而且可通过该多通道光谱仪同时得到两相互垂直的偏振光束并做信号归一化处理。

待测件124的光学特性是信号分析单元114分析计算，系统内各元件可用琼斯矩阵(Jones Matrix)表示，并进而获得如下用于拟合求解穿透光谱曲线的方程式：

$T={[\cos \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{\γ}+\mathrm{\α})+\frac{\mathrm{\φ}}{\mathrm{\β}}\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}-\mathrm{\γ}+\mathrm{\α})]}^2$

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

其中，β²＝δ²+φ²及

α为偏振片角度，γ为检偏片角度，φ为液晶的扭转角度(Twist Angle)，Δn为双折射率，d为样品厚度，λ为光波波长。方程式(1)可代表通过各向异性物质的光学双折射特性，内含光轴方位角度与相位差资讯。待测件124在测量时，待测件124的光轴方位角度的投影面202和入射光光轴方向垂直，偏振片104的穿透轴(Transmission Axis)204和检偏片108的穿透轴206间具有一相对角度，而偏振片104和光轴方位角度的夹角为α(如图2所示)。本发明揭示的光轴方位角度的测量与计算可包含下述两方法：

(i)方法一：

对于无扭转角度(Non-twisted)或是扭转角度为90度的待测件124，方程式(1)在条件为γ＝α可以简化方程式，通过下式使色散特性移除：

$\frac{T_a}{T_b}=\frac{{\cos }^2\left(2\mathrm{\α}\right)}{{\cos }^2\left[2(\mathrm{\α}+X)\right]}---\left(2\right)$

方程式(2)中T_a是偏振片104在初始角度位置的穿透强度，此时待测件124的光轴方位角度与偏振片104的穿透轴夹角为α，T_b为偏振片104和检偏片108旋转X角度后的穿透光谱强度。在方程式(2)内，我们可知通过已知测量条件，求解未知系数α，此为待测件124的光轴角度位置或液晶配向角度。

(ii)方法二：

此方法使偏振片104和检偏片108的相对位置和扭转角度相关，方程式(1)在γ＝α+φ条件下，藉下式使色散特性移除于方程式：

$\frac{T_1-T_2}{T_1-T_3}=\frac{{\cos }^2\left(2\mathrm{\α}\right)-{\cos }^2\left[2(\mathrm{\α}+X_1)\right]}{{\cos }^2\left(2\mathrm{\α}\right)-{\cos }^2\left[2(\mathrm{\α}+X_2)\right]}---\left(3\right)$

方程式中T₁是偏振片104在初始角度位置的穿透强度，此时未知待测件124的液晶配向方向或光轴方位角度与偏振片104的穿透轴夹角为α、T₂以及T₃分别代表偏振片104和检偏片108旋转X₁角度后，以及旋转X₂角度后的穿透光谱强度。方法二一开始需给定扭转角度，让偏振片104和检偏片108定位至相对的扭转角度位置，在待测件124是属于无扭转角度的样品亦适用此方程式。

在决定光轴角度后，利用方程式(1)可拟合(Fitting)或直接求解方式得到待测样品的相位差分布Δnd，其中Δn为波长的函数，亦即可以得到与波长相关的相位差分布。我们亦可拟合求解方程式(4)所示的柯西色散方程式(Cauchy Dispersion Equation)拟合计算得到的相位差分布，由此可以消除系统杂讯所造成的误差，并可以得到连续分布的相位差数值。

$\mathrm{\Δn}\left(\mathrm{\λ}\right)\·d=A+B\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2}+C\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^4}---\left(4\right)$

其中A、B和C为色散系数，可以利用最小平方法(Least SquareMethod)拟合所有的数据解的曲线以求得此三个系数。

图3显示本发明另一实施范例的液晶单元的光学特性测量系统300示意图。收光探头组302中所包含的收光探头304亦可包含偏振分光镜306及两光聚焦透镜(308与310)。此收光探头302可以将两相互垂直的偏振光束同时聚焦在两个收光光纤阵列130，并连接至多通道影像光谱仪112，以同步分析多通道的光谱强度资讯，并可以通过光谱仪同时得到的两相互垂直的偏振光束信号以即时做信号归一化处理。一实施例中，该偏振分光镜306是棱镜式偏振分光镜或薄片式偏振分光镜。

图4显示本发明一实施范例的液晶单元的光学特性测量方法的流程图。此一揭示的流程图将方法一应用于无扭转角度或者扭转角度为90°的待测件。在步骤S402中，给定待测件的扭转角度。在步骤S404中，设定一相对角度在一投光探头的一第一穿透轴与一收光探头的一第二穿透轴间，其中该相对角度使一穿透的偏振光束具一最大强度值。在本实施例中，待测件为无扭转角度或扭转角度为90°，故该相对角度为0°或90°。在步骤S406中，多次旋转该投光探头与该收光探头(T_a和T_b)，并记录各该次数的转动角度(X)与光谱信号。在步骤S408中，依所述旋转角度与所述光谱信号计算该待测件的光轴方位角度。利用上述步骤中的T_a、T_b及X，将公式(2)中的穿透轴夹角α计算出，此夹角α即光轴方位角度。在步骤S410中，旋转该投光探头与该收光探头至一测量角度，其中该测量角度与该光轴方位角度的夹角为45°或-45°。在步骤S412中，测量并计算一归一化光谱信号。在步骤S414中，利用光轴方位角度与归一化光谱信号，计算出相位差分布，而该相位差分布可依公式(1)拟合或直接计算而得。此外，相位差分布亦可以方程式(4)拟合计算。

图5显示本发明另一实施范例的液晶单元的光学特性测量方法的流程图。此一揭示的流程图是将方法二应用于具扭转角度的待测件。在步骤S502中，给定待测件的扭转角度(φ)。在步骤S504中，在一投光探头的一第一穿透轴与一收光探头的一第二穿透轴间设定一相对角度，其中该相对角度为扭转角度(φ)或角度(φ+90°)。在步骤S506中，多次旋转该投光探头与该收光探头(T₁、T₂和T₃)，并记录其中每次的转动角度(X₁和X₂)与光谱信号。在步骤S508中，依所述旋转角度与所述光谱信号计算该待测件的一光轴方位角度。利用上述步骤中的T₁、T₂和T₃及X₁、X₂，将公式(3)中的穿透轴夹角α计算出，此夹角α即光轴方位角度。在步骤S510中，旋转该投光探头与该收光探头至一测量角度，其中该测量角度与该光轴方位角度的夹角为45°或-45°。在步骤S512中，测量并计算一归一化光谱信号。在步骤S514中，利用光轴方位角度与归一化光谱信号，计算出相位差分布，而该相位差分布可依公式(1)拟合或直接计算而得。此外，相位差分布亦可以方程式(4)拟合计算。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施范例所揭示者，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并被申请专利范围所涵盖。

Claims (23)

1.一种液晶单元的光学特性测量系统，用于测量一待测件的光学特性，该光学特性测量系统包含：

一光源，发出一具有多波长的发射光；

一投光探头，具有一第一穿透轴，用于将该发射光转换为一投射于该待测件的偏振光束；

一收光探头，具有一第二穿透轴，用于分析从该偏振光束穿透该待测件后而产生的一偏振光束的偏振态，其中该第一穿透轴与该第二穿透轴间具一相对角度；

一光谱仪，用于获取该偏振光束的一光谱信号，其中该收光探头耦接于该光谱仪；以及

一信号分析单元，用于以多个该光谱信号及与各该光谱信号相对应的多个转动角度计算该待测件的一光轴方位角度及/或一相位差分布，其中各该光谱信号是将该投光探头与该收光探头在该转动角度转动后测量而得。

2.根据权利要求1的光学特性测量系统，其中该光轴方位角度的计算基于下述公式：

$\frac{T_1-T_2}{T_1-T_3}=f(\mathrm{\α},X_1,X_2)$

其中，α为该第一穿透轴与该待测件的该光轴方位角度间的夹角；T₁为该夹角为α时，所获得的该光谱信号；T₂与T₃分别为该投光探头与该收光探头转动角度X₁及X₂后所获得的该光谱信号。

3.据权利要求1的光学特性测量系统，其中该光轴方位角度的计算基于下述公式：

$\frac{T_1-T_2}{T_2-T_3}=f(\mathrm{\α},X_1,X_2)$

其中，α为该第一穿透轴与该待测件的该光轴方位角度间的夹角；T₁为该夹角为α时，所获得的该光谱信号；T₂与T₃分别为该投光探头与该收光探头转动角度X₁及X₂后所获得的该光谱信号。

4.根据权利要求1的光学特性测量系统，其中该相对角度是该待测件的一扭转角度φ或另一角度φ+90°。

5.根据权利要求1的光学特性测量系统，其中该相对角度是0°或90°。

6.根据权利要求1的光学特性测量系统，其中该光轴方位角度的计算基于下述公式：

$\frac{T_a}{T_b}=f(\mathrm{\α},X)$

其中，α为该第一穿透轴轴与该待测件的该光轴方位角度间的夹角；T_a为该夹角为α时，所获得的该光谱信号；T_b为该投光探头与该收光探头转动角度X后所获得的该光谱信号。

7.根据权利要求1的光学特性测量系统，其中该投光探头包含一偏振片及一光准直透镜。

8.根据权利要求7的光学特性测量系统，其中该偏振片是棱镜式偏振片或薄片式偏振片。

9.根据权利要求1的光学特性测量系统，其中该收光探头包含一检偏片及一光聚焦透镜。

10.根据权利要求9的光学特性测量系统，其中该检偏片是棱镜式或薄片式检偏片。

11.根据权利要求1的光学特性测量系统，其中该收光探头包含一偏振分光镜及一光聚焦透镜。

12.根据权利要求11的光学特性测量系统，其中该偏振分光镜是棱镜式偏振分光镜或薄片式偏振分光镜。

13.根据权利要求1的光学特性测量系统，其中该光谱仪是多通道影像式光谱仪。

14.根据权利要求1的光学特性测量系统，其中该相位差分布的计算为穿透光谱曲线拟合求解法。

15.根据权利要求1的光学特性测量系统，其中基于柯西色散拟合求解法计算该相位差分布。

16.一种液晶单元的光学特性测量方法，包含下列步骤：

在一投光探头的第一穿透轴与一收光探头的第二穿透轴间设定一相对角度；

多次旋转该投光探头与该收光探头，并记录其中每次的转动角度与光谱信号；以及

依所述转动角度与所述光谱信号计算待测件的光轴方位角度。

17.根据权利要求16的光学特性测量方法，其中该光轴方位角度的计算基于下述公式：

$\frac{T_1-T_2}{T_1-T_3}=f(\mathrm{\α},X_1,X_2)$

其中，α为该第一穿透轴与该待测件的该光轴方位角度间的夹角；

T₁为该夹角为α时，所获得的该光谱信号；T₂与T₃分别为该投光探头与该收光探头转动角度X₁及X₂后，所获得的该光谱信号。

18.根据权利要求16的光学特性测量系统，其中该光轴方位角度的计算基于下述公式：

$\frac{T_1-T_2}{T_2-T_3}=f(\mathrm{\α},X_1,X_2)$

其中，α为该第一穿透轴与该待测件的该光轴方位角度间的夹角；T₁为该夹角是α时，所获得的该光谱信号；T₂与T₃分别为该投光探头与该收光探头转动角度X₁及X₂后所获得的该光谱信号。

19.根据权利要求16的光学特性测量方法，其中该相对角度是该待测件的一扭转角度φ或另一角度φ+90°。

20.根据权利要求16的光学特性测量方法，其中该相对角度是0°或90°。

21.根据权利要求16的光学特性测量方法，其中该光轴方位角度的计算基于下述公式：

$\frac{T_a}{T_b}=f(\mathrm{\α},X)$

其中，α为该第一穿透轴轴与该待测件的该光轴方位角度间的夹角；T_a为该夹角是α时，所获得的该光谱信号；T_b为该投光探头与该收光探头转动角度X后，所获得的该光谱信号。

22.根据权利要求16的光学特性测量方法，其更包含下列步骤：

旋转该投光探头与该收光探头至一测量角度，其中该测量角度与该光轴方位角度的夹角为45°或-45°；

测量归一化光谱信号；以及

利用该光轴方位角度与该归一化光谱信号，其中基于穿透光谱曲线拟合求解法计算相位差分布。

23.根据权利要求16的光学特性测量方法，其更包含下列步骤：

旋转该投光探头与该收光探头至一测量角度，其中该测量角度与该光轴方位角度的夹角为45°或-45°；

测量该测量角度的归一化光谱信号；以及

利用该归一化光谱信号，基于柯西色散拟合求解法计算相位差分布。

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