CN102566092A - 测定液晶参数的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种测定液晶参数的装置和方法，其藉由一第一电控控制器来调制一线偏光产生器产生不同方位角的线偏光，以及一第二电控控制器来调制一偏光分析器。此线偏光产生器接收一光源的入射光并取出多个入射线偏光，而其所产生的不同方位角的线偏光是由此第一电控控制器所调制，使线偏光以所设定的倾斜角度投射至一待测样品，而穿透此待测样品的透射光由此偏光分析器所接收。此第二电控控制器连接至此偏光分析器，以取出一特定的偏光强度再经由置于一后端的数据处理装置接收来自此偏光分析器取出的偏光数据后，藉由一切层理论模型，求解出至少一液晶光学参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种测定液晶(liquid Crystal Cell，LC Cell)参数的方法及装置。
背景技术
液晶显示器技术应用领域广泛，例如触控屏幕或市场上被看好的3D立体电视，皆是各产业研究机构看好的发展。其中液晶在液晶面板扮演着光学开关的角色，其液晶光学参数对于影像品质优劣影响非常大。例如，灌入液晶的面板(filled LC panel)，其厚度与空液晶面板(empty panel)不同，而液晶厚度的均匀度将影响影像品质甚巨。尤其是高画质的多象限垂直配向(multi-domain vertical alignment，MVA)面板，对于液晶间隙均匀度的要求更高，其对于微小液晶间隙不均匀，会产生如小于5mm的亮差(mura)现象。目前面板制造商尺寸愈做愈大，而且显示品质也要求更高，整块面板的均匀度和光学参数的设计值的监控，对于面板产品显示品质以及成本控管上更显重要，直接影响制造商的产品竞争力。
多数液晶光学参数测定技术只针对常见的液晶定向(Alignment)型态做解析，在功能上和测定范围上受限；或是基于特定次序步骤的测定机制，而无法提升测定速度和准确性。在美国一篇专利文献所揭示的史托克参数(Stokes parameter)测定液晶厚度(Cell Gap)以及扭转角(Twist Angle)的技术中，是利用旋转检偏器(Analyzer)得到史托克参数。此测定液晶厚度和扭转角的技术可能会受限于史托克参数可分析信息不足而引入测定误差。后续改进方案如提出多波长方式测定来改进单波长测定的误差，此方法和光谱式旋转起偏器(Polarizer)和检偏器的液晶参数测定方法相较，没有显著的优势。
在另一篇美国专利文献所揭示的关于光谱式旋转起偏器和检偏器用于液晶厚度测定的技术中，是基于所测得的相位差(Retardation)和已知的折射率进行换算而得到液晶厚度。此技术对于液晶光学参数的测定需基于特定次序求解，在测定准确性和测定速度会受限。
在另一篇美国专利文献所揭示的液晶预倾角测定架构中，提出相位差数值理论模型测定扭转向列型(Twisted Nematic)液晶面板方法。此方法利用多个入射角度，以数值拟合相位差方法求解液晶预倾角(Pre-tilt Angle)和液晶厚度。此技术较适用于小范围角度的求解，也有可能因信息不足而引入较大的误差。
又如美国专利文献所揭示的关于液晶预倾角测定架构中，是基于架构内含的四分之一波片(Waveplate)，使样品旋转时产生穿透光的不对称性来拟合液晶预倾角。此技术仅需正向入射，故简化机构上的设计，对于扭转角较小的液晶面板(例如：π-cell)不适用。
图1所示为已知理论模型所用的Homogeneous三维液晶模型结构的一个范例示意图。在已知理论模型中，非等向性(Anisotropic)物质(例如：液晶)皆视为一种晶体式(Bulk)结构，以便于使用简易的物理方程式进行数值分析。如图1所示，当液晶面板内的液晶分子1液晶分子2以及液晶分子3的预倾角θ皆为相等，且扭转角为0度即可视为晶体式结构。其中，标号106为入射线偏光，而标号107为穿透液晶样品103的透射光。
针对现有技术的局限与未来市场的需求，开发新测定方法及装置来达到高效率及高准确性的测定，并提供解决对策乃是当务之急。
发明内容
本发明的实施范例可提供一种测定液晶参数的方法及装置。
本发明的一实施范例是关于一种测定液晶参数的装置，此装置包含一线偏光产生器、一第一电控控制器以调制该线偏光产生器产生不同方位角的线偏光、一待测样品，其中心方向轴线与该线偏光形成一倾斜夹角、一偏光分析器、一第二电控控制器以调制该偏光分析器、以及一数据处理装置，其中，此线偏光产生器取出光源的入射线偏光并投射至该待测样品，此偏光产生器产生不同方位角的线偏光由此第一电控控制器来调制，使线偏光投射至此待测样品，此待测样品的中心方向轴线与该线偏光形成一倾斜夹角，而穿透此待测样品的透射光被此偏光分析器接收，此偏光分析器经由使用此电控控制器调制后，将线偏光、不同椭圆率(Ellipticity)和不同旋向性(Handedness)的偏光予以取出，经由后端的数据处理装置，并透过一切层理论模型，拟合求解出至少一液晶光学参数。
本发明的另一实施范例是关于一种测定液晶光学参数的方法，此方法包含：输入初始的至少一液晶光学参数；输入液晶面板相对于入射光方向作倾斜角度范围以及各相邻倾斜角度的间隔，是从光源取出多个方位角的线偏光成分；开始测定各倾斜角度的光强度讯号，使用一偏光分析器具出透过液晶面板的多个偏光强度；以及，透过一理论模型和至少一测定讯号，将此偏光强度以一数据处理装置所建立的一切层理论模型，求解至少一液晶光学参数。
现结合下列附图、实施范例的详细说明及权利要求，将上述及本发明的其他目的与优点详述于后。
附图说明
图1所示为已知理论模型所用的Homogeneous三维液晶模型结构的一个范例示意图。
图2所示为本发明的一种测定液晶参数的装置的一个范例示意图。
图3所示为本发明的测定液晶参数的装置的一个工作范例的示意图。
图4所示为本发明的一种测定液晶参数的装置的另一工作范例的示意图。
图5所示为本发明中，扭转向列型液晶的三维结构的一个范例示意图。
图6所示为本发明中，π-cell液晶面板的三维结构的一个范例示意图。
图7所示为本发明的一种测定液晶光学参数的方法的一个范例流程的示意图。
附图符号说明
101 光源 102 线偏光产生器
103 待测样品 104 偏光分析器
105 数据处理装置 106 入射线偏光
107 透射光 X 待测样品的旋转轴线
115 切层理论模型 125 液晶光学参数
201 第一电控控制器 202 第二电控控制器
301 起偏器 302 旋转平台
303 波片 304 旋转平台
305 检偏器 306 光接收器
307 光学滤镜 308 电压调制电控相移器
309 波片 310 电压调制电控相移器
具体实施方式
本发明的实施范例是基于一线偏光产生器(Linear PolarizationGenerator)和一偏光分析器(Polarization Analyzer)，并结合一切层理论模型，同时考虑扭转角和预倾角于厚度方向的变化，以线偏光产生器投射不同方位角的线偏光于一待测物上，并配合偏光分析器所组成的多组偏光特性所取出的光强度，来拟合或比对计算至少一个液晶光学参数。此液晶光学参数可适用于各种定向型态的液晶面板测定。
图2所示为本发明的一种测定液晶参数的装置的一个范例示意图。此装置可包含一线偏光产生器102、一第一电控控制器201以调制线偏光产生器102来产生不同方位角的线偏光、一待测样品103，且此待测样品的中心方向轴线与该线偏光形成一倾斜夹角、一偏光分析器104、一第二电控控制器202以调制该偏光分析器104、以及一数据处理装置105。线偏光产生器102取出光源101的入射线偏光106并将入射线偏光投射至该待测样品103。线偏光产生器102产生不同方位角的线偏光由第一电控控制器201所调制。值得注意的是，待测样品103的中心方向轴线与该线偏光形成一倾斜夹角，使线偏光投射至待测样品103。而穿透待测样品103的透射光107再由偏光分析器104接收，偏光分析器104是由第二电控控制器202所调制，将线偏光、不同椭圆率和不同旋向性的偏光予以取出，最后经由后端的数据处理装置105，透过一切层理论模型115，拟合求解出至少一液晶光学参数125。
值得注意的是，让待测样品103的中心方向轴线与该线偏光形成一倾斜夹角的方式可藉由不同的机制来实施，本发明并未限定任何特定手段。例如，可利用一倾斜机构，将该待测样品103置放于该倾斜机构上，再利用旋转该倾斜机构的方式，使得该待测样品103的中心方向轴线与该线偏光形成一倾斜夹角。图2中所示的X即为该倾斜机构的旋转轴心。另一实施手段，可藉由旋转线偏光产生器102，使得该待测样品103的中心方向轴线与该线偏光形成一倾斜夹角，而偏光分析器104也相对应的旋转以顺利接收穿透待测样品103的透射光107。图2中所示的虚线旋转箭头即为此实施手段的示意标示。以下的叙述，仅以倾斜机构为实施手段说明，其他等同的实施手段也适用于本发明。
图3所示为本发明的测定液晶参数的装置的一个工作范例的示意图。线偏光产生器102可由一起偏器301固定于一旋转平台302上所实现，并由第一电控控制器201控制旋转平台302而产生不同方位角的线偏光，并投射至附加于倾斜机构上的待测样品103。另一方面，偏光分析器104可由一波片303固定于一旋转平台304上，以及一检偏器305以及一光接收器306所实现，藉由第二电控控制器202来控制旋转平台304，将线偏光、不同椭圆率和不同旋向性的偏光予以取出，并由光接收器306接收光强度变化与转换成电流或电压信息后，经由后端的数据处理装置105，利用一切层理论模型，拟合求解出至少一液晶光学参数125。
图4所示为本发明的一种测定液晶参数的装置的另一工作范例的示意图。线偏光产生器102可由一起偏器301、一前置电压调制电控相移器308和一波片309所实现，并于起偏器301前设置一光学滤镜(OpticalFilter)307，且波片309是对应光学滤镜307的波长的四分之一。其操作可由光学滤镜307取出光源的一特定波长，由线偏光产生器102取出线偏光，由第一电控控制器201控制前置电压调制电控相移器308，使偏光产生器102产生不同方位角的线偏光，并投射至附加于倾斜机构108上的待测样品103。另一方面，偏光分析器104可由一电压调制电控相移器310、一检偏器305以及一光接收器306所实现。由偏光分析器104分析穿透待测样品103的透射光107；由第二电控控制器202施加电压调制电控相移器310的相位，将线偏光、不同椭圆率和不同旋向性的偏光予以取出，并由光接收器306接收光强度变化与转换成电流或电压信息，再经由后端的数据处理装置105，藉由一切层理论模型，拟合求解出至少一液晶光学参数125。
液晶面板的因为产品应用上的需求，以现有技术的晶体式结构理论模型已经不足使用，其中原因之一是在于晶体式结构的假设仅能代表整体的平均特性，当遇到液晶预倾角会沿着厚度方向呈现对称渐变结构(例如：π-cell液晶面板)，以习知的晶体式结构理论模型可能会丧失光学上对称相消的分析能力；再者，扭转向列型液晶面板需考虑扭转角对e-wave和o-wave的效应，上述多种情况都需要修正现有的晶体式理论模型，以提升计算液晶参数的准确度。
图5所示为本发明中，扭转向列型液晶的三维结构的一个范例示意图。假设预倾角为定值θ，并假设扭转角沿着厚度(d)方向为变数，若沿着厚度(d)方向总共切割了j层，则第k层(k＝0，1，2，...，j-1)扭转角可表示为其中α为第0层液晶分子1的配向角度，第0层液晶分子1和第k层液晶分子3的慢轴(Slow Axis)于x-y平面上投影的差值即为扭转角φ，故相邻的液晶分子扭转角差为
图6所示为本发明中，π-cell液晶面板的三维结构的一个范例示意图。假设预倾角沿着厚度(d)方向为变数，若沿着厚度(d)方向总共切割了j层，则第k层(k＝0，1，2，...，j-1)预倾角可表示为
θ为第0层液晶分子1的预倾角，则相邻的液晶分子预倾角差可表示为
以上例子也可假设液晶扭转角和液晶预倾角沿着厚度方向皆为变数；亦可引入第0层液晶分子1和第j-1层的液晶分子3的预倾角差异，用来代表上下玻璃的预倾角误差，可得到更好的拟合结果。
如上述的新理论模型所述，本发明的切层理论模型表示为M＝R(-α)R(φ)R(-Δφ)Mj-1…R(-Δφ)·M1R(-Δφ)M0R(α)，其中R(α)和R(-α)为座标是转换表示式，α为第0层液晶分子的配向角度；Mk代表每一层液晶的电场表示式，当切层数量够多，每一层液晶将可视为同质(Homogeneous)特性；在切层的计算过程中，扭转角差必须利用座标是转换表示式R(-Δφ)来修正；而预倾角差则是在计算每一层时，修正θk的数值。此切层理论模型的矩阵可以更进一步使用Jones矩阵(matrix)或扩充的(Extended)Jones矩阵来展开。
依图2、图3和图4的架构下，光强度理论方程式可表示为S[p(t)，β(t)，r(t)]＝|A·C[β(t)，r(t)]·M·E[p(t)]|2，而S[p(t)，β(t)，r(t)]分别为入射线偏光106的方位角p(t)、波片303(或电压调制电控相移器310)的方位角β(t)，和波片303(或电压调制电控相移器310)的相位r(t)随时间变化的函数，A为检偏器305的电场表示式，而本发明的一个实施范例的A为固定穿透轴(Transmission Axis)角度在0度，波片303(或电压调制电控相移器310)的电场表示式为C[β(t)，r(t)]，E[p(t)]为入射线偏光106的电场表示式。而实际上光检测器306所测定到的光强度可以表示为I[p(t)，β(t)，r(t)]，此时液晶光学参数125可藉由以下范例拟合求解出：
范例1：电压调制电控相移器310的方位角a不变；线偏光产生器301的入射线偏光方位角p和电压调制电控相移器310的相位r为时变函数的方式拟合求解：
方程式(1)左式的分子对应右式的分子，而右式的分子所对应的是时间t1时的理论方程式；左式的分母对应右式的分母，而右式的分母所对应的是时间t2时的理论方程式。范例1引入多组时态的测定结果，以求解至少一个液晶光学参数。
范例2：波片303的相位r不变；入射线偏光106方位角p和波片303的方位角a为时变函数的方式拟合求解：
方程式(2)的左式的分子对应右式的分子，而右式的分子所对应的是时间t3时的理论方程式；左式的分母对应右式的分母，而右式的分母所对应的是时间t4时的理论方程式。此范例2引入多组不同时态的测定结果，以求解至少一个液晶光学参数。
范例3：考虑偏光总强度I[45°，45°，0°]+I[45°，45°，90°]做正规化运算。
方程式(3)左式对应右式同样在时间t5时的理论方程式。此范例3引入多组不同时态的测定结果，以求解至少一个液晶光学参数。
范例4：考虑偏光总强度I[45°，45°，90°]+I[45°，135°，90°]做正规化运算。
方程式(4)左式对应右式同样在时间t6时的理论方程式。此范例4引入多组不同时态的测定结果，以求解至少一个液晶光学参数。
图7所示为本发明的一种测定液晶光学参数的方法的一个范例流程的示意图。输入初始的至少一液晶光学参数，如步骤711所示；设定入射角度范围，如步骤712所示，输入液晶面板相对于入射光方向作倾斜角度范围以及各相邻倾斜角度的间隔，是从光源取出多个方位的线偏光成分，以所设定的入射角度的入射光投射至液晶面板；取得多组光强度讯号，如步骤713所示，开始测定各倾斜角度的光强度讯号，是使用一偏光分析器取出透过液晶面板的多个偏光强度；理论模型比对或拟合多组光强度讯号步骤，如步骤714所示，透过理论模型和测定讯号的拟合或是比对，将此偏光强度以一数据处理装置所建立的一切层理论模型，求解出至少一液晶光学参数。
值得注意的是，本发明可依使用状况而做各种变化，例如使用不同种类的起偏器301、电压调制电控相移器310、检偏器305和光检测器306；或使用波片303、切换不同方位角的检偏器305以及光检测器306所形成的偏光分析器104等。内文中所揭示的仅为实施装置与方法的范例，本领域的技术人员可加以修改及重新设计，亦可达到相同的效果，类似的各项更改，皆由本发明的权利要求加以界定。
综上所述，本发明的实施范例有下列的技术特性：(1)偏光量测技术搭配创新的液晶理论模型，同时考虑扭转角和预倾角于厚度方向的变化，也可同步计算多个液晶参数。故可提高准确性和增加量测效率；(2)配合此切层理论模型，可解析不同类型液晶模态的光学特性。故可符合产业多元化的需求；(3)可应用于3D显示器的微相位差膜(micro retarder)的光学双折射特性的检测。
因此，本发明的实施范例所提出的测定液晶参数的方法与装置，确实能藉由所揭示的技术方案而符合发明专利的新颖性，创造性和实用性的要件。但是以上所述仅为本发明的实施范例而已，而不能依此限定本发明实施的范围。依据本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明的专利涵盖的范围内。
Claims (18)
1.一种测定液晶参数的装置，包含：
一线偏光产生器，接收一光源的入射光并自该光源取出多个入射线偏光；
一第一电控控制器，连接至该线偏光产生器以调制该线偏光产生器产生不同方位角的该线偏光；
一待测样品，其中心方向轴线与该线偏光形成一倾斜夹角；
一偏光分析器，接收来自穿透该待测样品的透射光；
一第二电控控制器，连接至该偏光分析器以调制该偏光分析器，以取出一特定的偏光强度；以及
一数据处理装置，置于一后端，接收来自该偏光分析器的取出的偏光数据，藉由一切层理论模型，求解出至少一液晶光学参数。
2.如权利要求1所述的测定液晶参数的装置，其中该线偏光产生器还包括一起偏器与一第一旋转平台，该起偏器固定于该第一旋转平台上，由该第一电控控制器控制该旋转平台以产生不同方位角的线偏光，并以所设定的倾斜角度投射至该待测样品。
3.如权利要求1所述的测定液晶参数的装置，其中该偏光分析器还包含一波片、一第二旋转平台、一检偏器以及一光接收器，该波片固定于该第二旋转平台上，由该第二电控控制器控制该第二旋转平台，以取出特定的偏光强度，并由该光接收器接收光强度变化转换成电流或电压信息。
4.如权利要求1所述的测定液晶参数的装置，其中该线偏光产生器还包含一起偏器、一前置电压调制电控相移器和一波片，并于该起偏器前设置一光学滤镜，且该波片对应该光学滤镜的波长的四分之一，由该光学滤镜取出该光源的特定波长，由该线偏光产生器取出线偏光，由该第一电控控制器控制该前置电压调制电控相移器，使该偏光产生器产生不同方位角的线偏光，并以所设定的倾斜角度投射至该待测样品。
5.如权利要求1所述的测定液晶参数的装置，其中该偏光分析器还包括一第二电压调制电控相移器、一检偏器以及一光接收器，由该偏光分析器分析穿透该待测样品的该透射光，由该第二电控控制器施加该第二电压调制电控相移器的相位，以取出特定的偏光强度，并由该光接收器接收光强度变化转换成电流或电压信息。
6.如权利要求1所述的测定液晶参数的装置，其中该待测样品置放于一倾斜机构上，再利用旋转该倾斜机构的方式，使得该待测样品的中心方向轴线与该线偏光形成一倾斜夹角。
7.如权利要求1所述的测定液晶参数的装置，其中，可藉由旋转该线偏光产生器，使得该待测样品的中心方向轴线与该线偏光形成一倾斜夹角，而该偏光分析器也相对应的旋转以顺利接收穿透该待测样品的该透射光。
8.如权利要求1所述的测定液晶参数的装置，其中该切层理论模型使用一Jones矩阵或一扩充的Jones矩阵来展开。
9.如权利要求1所述的测定液晶参数的装置，其中该切层理论模型表示为M＝R(-α)R(φ)R(-Δφ)Mj-1…R(-Δφ)·M1R(-Δφ)M0R(α)，其中R(α)和R(-α)为座标是转换表示式，α为第0层液晶分子的配向角度；Mk代表每一层液晶的电场表示式。
10.如权利要求1所述的测定液晶参数的装置，其中该取出特定的偏光强度包含线偏光、不同椭圆率和不同旋向性的偏光特性。
11.如权利要求1所述的测定液晶参数的装置，其中该求解液晶光学参数为计算配向角度、扭转角、液晶厚度以及预倾角的前述液晶光学参数中至少一个。
12.如权利要求1所述的测定液晶参数的装置，其中该计算配向角度、扭转角、液晶厚度以及预倾角等液晶光学参数中是藉由透过该理论模型和测定讯号拟合或比对原理来求解。
13.一种测定液晶参数的方法，包含：
输入初始的至少一液晶光学参数；
设定倾斜角度，使自光源取出的特定偏光成分，以所设定的倾斜角度投射至一待测样品；
取得特定光强度讯号，开始测定各倾斜角度的光强度讯号，是使用一偏光分析器取出透过该待测样品的特定偏光强度；以及
理论模型比对/拟合该特定光强度讯号，是透过一理论模型和至少一测定讯号，将该偏光强度以一数据处理装置所建立的一切层理论模型，求解至少一液晶光学参数。
14.如权利要求13所述的测定液晶参数的方法，其中该特定偏光强度是线偏光、不同椭圆率和不同旋向性的偏光特性。
15.如权利要求13所述的测定液晶参数的方法，其中该液晶切层理论模型使用一Jones矩阵或一扩充的Jones矩阵展开。
16.如权利要求13所述的测定液晶参数的方法，其中该切层理论模型表示为M＝R(-α)R(φ)R(-Δφ)Mj-1…R(-Δφ)·M1R(-Δφ)M0R(α)，其中R(α)和R(-α)为座标是转换表示式，α为第0层液晶分子的配向角度；Mk代表每一层液晶的电场表示式。
17.如权利要求13所述的测定液晶参数的方法，其中该求解至少一液晶光学参数包括计算配向角度、扭转角、液晶厚度以及预倾角的前述液晶光学参数中至少一个。
18.如权利要求13所述的测定液晶参数的方法，其中该至少一液晶光学参数中是藉由透过该理论模型和该至少一测定讯号拟合或比对原理来求解。
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