CN103091014B - 光学测量装置 - Google Patents

Abstract

一种光学测量装置，用以测量待测样本。光学测量装置包括扁平化面光源模块、第一偏振片、第二偏振片、液晶盒及图像感测器。扁平化面光源模块用以提供面光源。面光源用以发出检测光。第一偏振片配置于检测光的传递路径上。第二偏振片配置于检测光的传递路径上。第一偏振片配置于面光源与第二偏振片之间，且待测样本适于配置于第一偏振片与第二偏振片之间。液晶盒配置于检测光的传递路径上，且位于第一偏振片与第二偏振片之间。图像感测器配置于检测光的传递路径上，以感测检测光。第二偏振片配置于液晶盒与图像感测器之间。

Description

光学测量装置

技术领域

本发明是有关于一种测量装置，且特别是有关于一种光学测量装置。

背景技术

随着显示技术的进步，显示器已从传统大体积的阴极射线管(cathode raytube,CRT)演变为各种平面显示器，例如液晶显示器、等离子体显示器(plasmadisplay panel,PDP)、有机发光二极管(organic light-emitting diode,OLED)显示器。此外，现今的显示技术仍然不断地在蓬勃的发展，例如发展出立体图像显示器、可挠式显示器(或称软性显示器)及电子书等。

可挠式显示器通常包括可挠式薄膜与显示介质，其中显示介质例如为各种型态的液晶(liquid crystal)、有机发光二极管、电泳粒子(electrophoreticparticle)等。可挠式薄膜在制造时由于镀膜或激光加工等过程，部分应力会残留在薄膜内，而残留应力的大小将影响此薄膜的使用寿命。因此，通常会对可挠式薄膜进行耐久性测试，进而确保可挠式显示器的质量。目前的已知技术大多采用挠曲测试的方式来进行软性显示器薄膜的耐久性测试。然而，薄膜经过挠曲测试后，残留的应力会更加地突显，进而影响可挠式显示器的质量与使用寿命。

为了降低挠曲测试对可挠式薄膜的影响，非接触式的测量技术的发展便更为重要。

发明内容

本发明的一实施例提出一种光学测量装置，用以测量待测样本。光学测量装置包括扁平化面光源模块、第一偏振片、第二偏振片、液晶盒及图像感测器。扁平化面光源模块用以提供面光源，其中面光源用以发出检测光。第一偏振片配置于检测光的传递路径上，且第二偏振片配置于检测光的传递路径上。第一偏振片配置于面光源与第二偏振片之间，且待测样本适于配置于第一偏振片与第二偏振片之间。液晶盒配置于检测光的传递路径上，且位于第一偏振片与第二偏振片之间。图像感测器配置于检测光的传递路径上，以感测检测光，其中第二偏振片配置于液晶盒与图像感测器之间。

为让本发明的上述特征能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的一实施例的光学测量装置的示意图。

图2绘示图1中的第一偏振片与第二偏振片的穿透轴的方向。

图3为本发明的另一实施例的光学测量装置的示意图。

图4为本发明的又一实施例的光学测量装置的示意图。

图5为本发明的再一实施例的光学测量装置的示意图。

图6绘示图1的光学测量装置的另一种测量方式。

[主要元件标号说明]

50：待测样本                 100、100a、100b、100c：光学测量装置

110：扁平化面光源模块        112：面光源

114：检测光                  120：第一偏振片

130：第二偏振片              140：液晶盒

142：第一电极基板            144：液晶层

146：第二电极基板            150、150b：图像感测器

160：滤光片                  170：夹具

180：控制单元                190：透镜

A1、A2：穿透轴               D1：预设方向

F：拉力

具体实施方式

图1为本发明的一实施例的光学测量装置的示意图，而图2绘示图1中的第一偏振片与第二偏振片的穿透轴的方向。请参照图1，本实施例的光学测量装置100用以测量待测样本50。在本实施例中，待测样本50例如为可挠式基板或可挠式薄膜，其中可挠式基板与可挠式薄膜可用以制作可挠式显示器或其它光学元件。光学测量装置100包括扁平化面光源模块110、第一偏振片120、第二偏振片130、液晶盒140及图像感测器150。扁平化面光源模块110用以提供面光源112，其中面光源112用以发出检测光114。第一偏振片120配置于检测光114的传递路径上，且第二偏振片130配置于检测光114的传递路径上。第一偏振片120配置于面光源112与第二偏振片130之间，且待测样本50适于配置于第一偏振片120与第二偏振片130之间。

液晶盒140配置于检测光114的传递路径上，且位于第一偏振片120与第二偏振片130之间。在本实施例中，液晶盒140包括第一电极基板142、液晶层144及第二电极基板146，其中液晶层144配置于第一电极基板142与第二电极基板146之间。

图像感测器150配置于检测光114的传递路径上，以感测检测光114，其中第二偏振片130配置于液晶盒140与图像感测器150之间。在本实施例中，图像感测器150为矩阵式光感测元件。举例而言，图像感测器150例如为电荷耦合元件(charge coupled device,CCD)或互补式金属氧化物半导体感测元件(complementary metal oxide semiconductor sensor,CMOS sensor)。

在本实施例中，光学测量装置100还包括滤光片160，配置于检测光114的传递路径上，且配置于面光源112与图像感测器150之间，以让检测光114的具有特定波长的部分传递至图像感测器150。在本实施例中，滤光片160配置于面光源112与待测样本50之间，例如是配置于面光源112与第一偏振片120之间。

在本实施例中，光学测量装置100还包括夹具170，且夹具170用以夹持待测样本50。在本实施例中，光学测量装置100还包括控制单元180，电性连接至液晶盒140，其中控制单元180施加至少三个不同的电压至液晶盒140，以改变液晶盒140的相位延迟量。具体而言，控制单元180使第一电极基板142与第二电极基板146之间产生三种不同的电压差，以改变液晶层144中的液晶分子的转动角度，进而改变液晶盒140的相位延迟量。

在本实施例中，控制单元180还电性连接至图像感测器150，且控制单元180根据施加上述至少三个不同的电压至液晶盒140时图像感测器150所感测到的检测光114所形成的图像，以计算出待测样本50于预设方向D1上的二维相位延迟量分布。在本实施例中，预设方向D1例如为待测样本50的预设快轴方向。

具体而言，在本实施例中，面光源112所发出的部分检测光114在通过滤光片160之后，被过滤成实质上具单波长的检测光114。接着，检测光114受到第一偏振片120的偏极化作用后，部分检测光114通过第一偏振片120而成为线偏振光，即具有线偏振特性的检测光114。为了便于说明检测光114的偏振方向，在本实施例中，可定义直角坐标系，其包括彼此互相垂直的x轴、y轴及z轴，其中x轴与y轴实质上平行于面光源112、第一偏振片120、液晶盒140与第二偏振片130，而z轴实质上垂直于面光源112、第一偏振片120、液晶盒140与第二偏振片130。在本实施例中，第一偏振片120的穿透轴A1例如是配置于相对x轴倾斜45°的方向上，且穿透轴A1实质上垂直于z轴。因此，当部分模测光114通过第一偏振片120后，其偏振方向是在平行于穿透轴A1的方向上。

之后，具有线偏振特性的检测光114进入受电压控制的液晶盒140，使得检测光114的x方向上的电场分量与y方向上的电场分量的相位差因为液晶层144中的液晶分子的双折射性而受到调制。接着，检测光114通过待测样本50。然后，检测光114传递至第二偏振片130。在本实施例中，第二偏振片130的穿透轴A2配置于相对x轴倾斜-45°的方向上。如此一来，当检测光114通过第二偏振片130时，检测光114的x分量偏光与y分量偏光于相对x轴倾斜-45°的方向上的投影分量相互结合而产生共光程干涉。由于扁平化面光源模块110所提供的是一个面光源112，因此检测光114可照射整面待测样本50或照射于待测样本50上的大部分面积。如此一来，检测光114在通过第二偏振片130后便会产生二维的干涉信号。然后，检测光114搭载着二维的干涉信号而传递至图像感测器150。

在本实施例中，光学测量装置100还包括至少一透镜190，配置于第二偏振片130与图像感测器150之间。透镜190可将检测光114所搭载的二维的干涉信号成像于图像感测器150上。

在本实施例中，若液晶盒140是采用扭曲向列模式(twisted nematic mode,TN-Mode)的液晶盒，则液晶盒的琼斯矩阵(Jones matrix)M可表示为：

……(1)式

其中，代表液晶层144的扭转角度(twist angle)，δ代表液晶层144在等于0时的总相位延迟量。另外，假设待测样本50的快轴(fast axis)方向为x方向，则待测样本的琼斯矩阵S可表示为：

$S=\left(\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{i\θ}/2}& 0\\ 0& e^{-\mathrm{i\θ}/2}\end{array}\right)$ ……(2)式

其中，θ代表待测样本50的相位延迟量。再者，当检测光114依序通过第一偏振片120、液晶盒140、待测样本50及第二偏振片130后，检测光114的电场可以表示为：

……(3)式

其中，P₁(45°)与P₂(-45°)分别代表第一偏振片142与第二偏振片146的琼斯矩阵。若液晶层144的则检测光114在进入图像感测器150前的光强度I可推导得：

$I={\left|E\right|}^2=\frac{{4\cos }^2(\mathrm{\θ}/2){\mathrm{\β}}^2{\cos }^2\mathrm{\β}+({\mathrm{\π}}^2+{\mathrm{\θ}}^2){\sin }^2(\mathrm{\θ}/2){\sin }^2\mathrm{\β}+\mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θ}\·\mathrm{\β}\sin 2\mathrm{\β}}{{8\mathrm{\β}}^2}$ ……(4)式

其中，因此，通过调变施加于液晶盒140上的电压，则可改变β值。在本实施例中，假设在不同的时间中分别施加四个不同的电压至液晶盒140时，可得到液晶盒140的相对应的四个β值，例如β₁、β₂、β₃及β₄，则图像感测器150可感测到相对应的四个I值，例如I₁、I₂、I₃及I₄，则可将(4)式改写成：

$\left(\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\\ I_4\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\frac{{{4\mathrm{\β}}_1}^2{\cos }^2{\mathrm{\β}}_1}{{{8\mathrm{\β}}_1}^2}& \frac{{\sin }^2{\mathrm{\β}}_1}{{{8\mathrm{\β}}_1}^2}& \frac{{\mathrm{\β}}_1\sin {2\mathrm{\β}}_1}{{{8\mathrm{\β}}_1}^2}\\ \frac{{{4\mathrm{\β}}_2}^2{\cos }^2{\mathrm{\β}}_1}{{{8\mathrm{\β}}_2}^2}& \frac{{\sin }^2{\mathrm{\β}}_2}{{{8\mathrm{\β}}_2}^2}& \frac{{\mathrm{\β}}_2\sin {2\mathrm{\β}}_2}{{{8\mathrm{\β}}_2}^2}\\ \frac{{{4\mathrm{\β}}_3}^2{\cos }^2{\mathrm{\β}}_3}{{{8\mathrm{\β}}_3}^2}& \frac{{\sin }^2{\mathrm{\β}}_3}{{{8\mathrm{\β}}_3}^2}& \frac{{\mathrm{\β}}_1\sin {2\mathrm{\β}}_3}{{{8\mathrm{\β}}_3}^2}\\ \frac{{{4\mathrm{\β}}_4}^2{\cos }^2{\mathrm{\β}}_4}{{{8\mathrm{\β}}_4}^2}& \frac{{\sin }^2{\mathrm{\β}}_4}{{{8\mathrm{\β}}_4}^2}& \frac{{\mathrm{\β}}_4\sin {2\mathrm{\β}}_4}{{{8\mathrm{\β}}_4}^2}\end{array}\right)\·\left(\begin{array}{c}A\\ B\\ C\end{array}\right)=M_{\mathrm{\β}}\·\left(\begin{array}{c}A\\ B\\ C\end{array}\right)$ ……(5)式

其中，A=cos²(θ/2)，B=(π²+θ²)sin²(θ/2)，且C=θsinθ。接着，可利用最小平方拟合法而得到A、B、C的数值，亦即：

$\left(\begin{array}{c}A\\ B\\ C\end{array}\right)={\left({M_{\mathrm{\β}}}^t{M}_{\mathrm{\β}}\right)}^{-1}{M_{\mathrm{\β}}}^t\·\left(\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\\ I_4\end{array}\right)$ ……(7)式

其中，M_β ^t为M_β的转置矩阵(transpose)，而(M_β ^tM_β)^-1为M_β ^tM_β的反矩阵(inverse)。再者，为了考虑图像感测器150所测得的检测光114的图像的归一化问题，则假设B_A=B/A，CA=C/A，且配合A、B、C与θ的关系可推得：

$\mathrm{\θ}(x,y)=\frac{{\mathrm{\πC}}_A}{\sqrt{{4B}_A-{C_A}^2}}$ ……(8)式

其中，θ(x,y)即为待测样本50的二维相位延迟量分布，亦即为平行于图1的xy平面的待测样本50所在的平面上的各个不同的位置处的相位延迟量的值。在一实施例中，亦可进一步利用二维相位解缠绕(two dimension phaseunwrapping)的方法，解得正确的相位延迟分布。然而，即使不采用二维相位解缠绕的方法，直接从θ(x,y)亦可大致上看出相位延迟量的分布趋势，进而得知残留在待测样本50上的应力的位置及概略分布。如此一来，θ(x,y)便可作为待测样本50的耐久性测试的参考数据，以缩短耐久性测试所需的时间。或者，θ(x,y)亦可作为制作待测样本50时的参考数据，例如可参考θ(x,y)来调整待测样本的制程参数与制程环境，进而制作出质量更为良好的待测样本。

在本实施例中，夹具170对待测样本50产生沿着预设方向D1(即平行于±x方向)的拉力F。因此，可将预设方向D1作为待测样本50的预设快轴方向。

在本实施例的光学测量装置100中，由于采用扁平化面光源模块110，而扁平化面光源模块110所占的体积较小，因此可缩小光学测量装置100的体积。此外，由于扁平化面光源模块110可产生面光源，因此光学测量装置100可测量整面或大部分的待测样本，而达到全域式的相位延迟量分布的测量，进而可推得待测样本的应力分布概况。

在另一实施例中，液晶盒140亦可采用具有像素结构的彩色液晶显示面板来形成，此时可不采用滤光片160，而是通过将第一电极基板142或第二电极基板144上的单一颜色的子像素(例如红色子像素、绿色子像素或蓝色子像素中的任一色子像素)开启，并关闭其它颜色的子像素。如此一来，便可将检测光114过滤成单一颜色的光，进而达到共光程干涉的测量。换言之，可将彩色液晶显示面板其中一侧的偏振片去除，而另一侧的偏振片作为第一偏振片120，此外，在待测样本50的另一侧设置第二偏振片130，并采用液晶显示器的背光模块作为扁平化面光源模块110。如此一来，即可利用现有的光学元件来形成光学测量装置，这样可以节省光学测量装置的制作成本。再者，在其它实施例中，亦可不采用滤光片160，而是扁平化面光源模块110提供单波长或单一颜色的面光源，例如是采用发光二极管或激光产生器来产生单一颜色或单一波长的光。

图3为本发明的另一实施例的光学测量装置的示意图。请参照图3，本实施例的光学测量装置100a类似于图1的光学测量装置100，而两者的差异如下所述。在本实施例的光学测量装置100a中，滤光片160配置于待测样本50与图像感测器150之间。举例而言，滤光片160可配置于透镜190与图像感测器150之间。如此一来，虽然通过液晶盒140与待测样本50的检测光114具有多个波长，但经过滤光片160的滤除后，便可让特定波长的检测光114通过，而阻挡其余波长的检测光114，如此仍可达到共光程干涉的测量。

滤光片160可配置于扁平化面光源模块110与图像感测器150之间的检测光114的传递路径上的任何位置。举例而言，在其它实施例中，滤光片160可配置于第一偏振片120与液晶盒140之间，或可配置于第一电极基板142与液晶层144之间，或可配置于液晶层144与第二电极基板146之间，或可配置于液晶盒140与待测样本50之间，或可配置于待测样本50与第二偏振片130之间，或可配置于第二偏振片130与透镜190之间。

图4为本发明的又一实施例的光学测量装置的示意图。请参照图4，本实施例的光学测量装置100b与图1的光学测量装置100类似，而两者的差异如下所述。在本实施例的光学测量装置100b中，图像感测器150b为线型扫描式光感测元件。举例而言，图像感测器150b可沿着x方向沿伸，且可沿着+y方向或-y方向扫描。如此一来，图像感测器150b亦可获得二维的共光程干涉信号。换言之，图像感测器150b例如是采用扫描仪(scanner)的图像感测器。在本实施例中，滤光片160配置于面光源112与待测样本50之间，例如是配置于面光源112与第一偏振片120之间。在另一实施例中，图像感测器150b亦可以是沿着y方向沿伸，且沿着+x方向或-x方向扫描。

图5为本发明的再一实施例的光学测量装置的示意图。请参照图5，本实施例的光学测量装置100c与图4的光学测量装置100b类似，而两者的差异在于在本实施例的光学测量装置100c中，滤光片160配置于待测样本50与图像感测器150b之间，例如是配置于第二偏振片130与图像感测器150b之间。

滤光片160可配置于扁平化面光源模块110与图像感测器150b之间的检测光114的传递路径上的任何位置。举例而言，在其它实施例中，滤光片160可配置于第一偏振片120与液晶盒140之间，或可配置于第一电极基板142与液晶层144之间，或可配置于液晶层144与第二电极基板146之间，或可配置于液晶盒140与待测样本50之间，或可配置于待测样本50与第二偏振片130之间。

图6绘示图1的光学测量装置的另一种测量方式。请参照图6，在本实施例中，夹具170用以在预设方向D1(亦例如平行于±y方向的方向)上弯曲待测样本50，以使光学测量装置100可作出不同于图1的测量方式的测量数据。在预设方向D1上弯曲待测样本50可使预设方向D1更接近于待测样本50的实际快轴方向。

综上所述，在本发明的实施例的光学测量装置中，由于采用扁平化面光源模块，而扁平化面光源模块所占的体积较小，因此可缩小光学测量装置的体积。此外，由于扁平化面光源模块可产生面光源，因此光学测量装置可测量整面或大部分的待测样本，而达到全域式的相位延迟量分布的测量，进而可推得待测样本的应力分布概况。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种光学测量装置，其特征在於，用以测量待测样本，该光学测量装置包括：

扁平化面光源模块，用以提供面光源，其中该面光源用以发出检测光；

第一偏振片，配置于该检测光的传递路径上；

第二偏振片，配置于该检测光的传递路径上，其中该第一偏振片配置于该面光源与该第二偏振片之间，且该待测样本适于配置于该第一偏振片与该第二偏振片之间；

液晶盒，配置于该检测光的传递路径上，且位于该第一偏振片与该第二偏振片之间；

图像感测器，配置于该检测光的传递路径上，以感测该检测光，其中该第二偏振片配置于该液晶盒与该图像感测器之间；以及

控制单元，电性连接至该液晶盒及该图像传感器，其中该控制单元施加至少三个不同的电压至液晶盒，以改变该液晶盒的相位延迟量，且该控制单元根据施加该至少三个不同的电压至液晶盒时该图像感测器所感测到的该检测光所形成的图像，以计算出该待测样本于一预设方向上的二维相位延迟量分布，该预设方向为该待测样本的预设快轴方向。

2.根据权利要求1所述的光学测量装置，其特征在於，还包括滤光片，配置于该检测光的传递路径上，且配置于该面光源与该图像感测器之间，以让该检测光的具有特定波长的部分传递至该图像感测器。

3.根据权利要求2所述的光学测量装置，其特征在於，该滤光片配置于该面光源与该待测样本之间。

4.根据权利要求2所述的光学测量装置，其特征在於，该滤光片配置于该待测样本与该图像感测器之间。

5.根据权利要求1所述的光学测量装置，其特征在於，还包括夹具，夹持该待测样本。

6.根据权利要求5所述的光学测量装置，其特征在於，该夹具对该待测样本产生沿着该预设方向的拉力。

7.根据权利要求5所述的光学测量装置，其特征在於，该夹具用以在该预设方向上弯曲该待测样本。

8.根据权利要求1所述的光学测量装置，其特征在於，该图像感测器为矩阵式光感测元件。

9.根据权利要求1所述的光学测量装置，其特征在於，该图像感测器为线型扫描式光感测元件。

10.根据权利要求1所述的光学测量装置，其特征在於，还包括至少一透镜，配置于该第二偏振片与该图像感测器之间。