CN103176297A - 液晶单元特性测定装置以及液晶单元特性测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种液晶单元特性测定装置以及液晶单元特性测定方法。液晶单元特性测定装置包括：光源、至少三个偏光产生器、至少三个物镜、至少三个偏光分析器以及数据处理器。每一偏光产生器从光源取出具有特定偏光成分的偏光光线，每一偏光光线以倾斜入射角度投射到液晶单元。每一物镜以设定的收光角度而接收透射过液晶单元的每一偏光光线，收光角度对应于倾斜入射角度。每一偏光分析器取得来自于每一物镜的偏光光线的偏光强度。数据处理器根据至少三个收光角度中的每一偏光光线的偏光强度，而至少能计算液晶单元的厚度或液晶单元内的液晶分子的预倾角。此外，还提出液晶单元特性测定方法。

Description

液晶单元特性测定装置以及液晶单元特性测定方法

技术领域

本发明涉及一种液晶单元特性测定装置与液晶单元特性测定方法，且特别是涉及一种能够准确测定子像素(sub-pixel)内的液晶厚度与预倾角的液晶单元特性测定装置与液晶单元特性测定方法。 

背景技术

液晶显示面板被广泛地应用于各种需要显示影像的电子产品中。液晶在液晶显示面板扮演着光学开关的角色。由于液晶的特性(如液晶厚度、液晶分子的预倾角等)直接影响到影像品质的优劣、以及液晶显示面板的制造良率等，所以需要对于液晶的特性进行监控。

先前的技术是针对液晶显示面板的数个毫米区域进行监控，以取得液晶特性的平均值。举例而言，在多域垂直配向型(Multi-domain Vertical Alignment，MVA)液晶显示面板中，通常假设预倾角为90度、并假设为液晶为单一晶体结构，因为液晶显示面板的偶数个配向域(Domain)内的平均预倾角接近90度。然而，在微观的角度之下，液晶显示面板的子像素(液晶单元)内的液晶分子会受到配向特性的影响，亦即：各个子像素的表现出的预倾角以及厚度会有极大的变异。此时，惟有同时考虑参数之间的相互影响，才能准确测定液晶厚度和预倾角。 

例如，美国专利公告号US6317208、US6473180以及US6490039所揭露的液晶显示面板的预倾角的测定装置，是基于测定装置内含的四分之一波片来进行设定。亦即，将样品进行旋转时引入穿透光的不对称性，进而拟合出预倾角。此方法的优点在于仅需正向入射测定光线、且机构设计简单。然而，此方法不适用于小扭转角(twist angle)的液晶显示面板(如：πcell)。 

另外，又如美国专利公告号US6822737所揭露的液晶显示面板的预倾角测定装置，提出：利用相位差数值理论模型，来测定扭转向列型(twisted nematic)液晶显示面板的方法，亦即：利用小倾斜角度下的理论模型拟合相 位差方法，来求解预倾角和液晶厚度。然而，此方法容易引入较大的误差。 

由上述可知，研究一种机构简单、且能量测高分辨率的液晶显示面板的液晶特性的测定装置与测定方法是必要的发展趋势。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种液晶单元特性测定装置，具有简单的机构设计，能够快速地、准确地对于单一子像素(液晶单元)的液晶特性(至少为液晶厚度(cell gap)与预倾角(pretilt angle))进行测定。 

本发明的另一目的在于提供一种液晶单元特性测定方法，能够快速地、准确地对于单一子像素(液晶单元)的液晶特性(至少为液晶厚度与预倾角)进行测定。 

为达上述目的，本发明提出一种液晶单元特性测定装置，至少能测定该液晶单元的厚度或该液晶单元内的液晶分子的预倾角，该液晶单元特性测定装置包括：光源、至少三个偏光产生器、至少三个物镜、至少三个偏光分析器以及数据处理器。每一偏光产生器从该光源取出具有特定偏光成分的一偏光光线，每一偏光光线以一倾斜入射角度投射到该液晶单元。每一物镜以设定的一收光角度而接收透射过该液晶单元的每一偏光光线，该收光角度对应于该倾斜入射角度。每一偏光分析器取得来自于每一物镜的该偏光光线的偏光强度。数据处理器根据至少三个收光角度中的每一偏光光线的偏光强度，而计算该液晶单元的厚度或该液晶单元内的液晶分子的预倾角。 

本发明还提出一种液晶单元特性测定方法，至少能测定该液晶单元的厚度或该液晶单元内的液晶分子的预倾角，该液晶单元特性测定方法可包括以下步骤。首先，从一光源取出具有特定偏光成分的至少三条偏光光线。接着，使每一偏光光线以一倾斜入射角度投射到该液晶单元。再来，提供至少三个物镜，每一物镜以设定的一收光角度而接收透射过该液晶单元的每一偏光光线，该收光角度对应于该倾斜入射角度。继之，提供至少三个偏光分析器，每一偏光分析器取得来自于每一物镜的该偏光光线的偏光强度。之后，提供一数据处理器，根据至少三个收光角度中的每一偏光光线的偏光强度，而计算该液晶单元的厚度或该液晶单元内的液晶分子的预倾角。 

基于上述，本发明的液晶单元特性测定装置以及液晶单元特性测定方法使用：倾斜设置的偏光产生器、物镜以及偏光分析器，可以取出透射过液晶 单元的不同偏振特性的光强度。如此一来，可以针对子像素内的单一个空间点进行液晶厚度与预倾角的准确测定。 

换言之，基于倾斜设置的至少三个偏光产生器和至少三个偏光分析器，以三个偏光产生器投射不同偏振态的偏光光线到液晶单元上。再根据至少三个收光角度中的每一偏光光线的偏光强度，而计算该液晶单元的厚度或该液晶单元内的液晶分子的预倾角。例如，以相对应的三个偏光分析器所组成的不同偏光特性所取出的光谱强度计算相位差，进而拟合全光谱的相位差资讯，再通过已知的非寻常光液晶折射率ne和寻常光液晶折射率no，即可测定液晶厚度及预倾角，且可应用于各种配向型态的液晶显示面板的测定。 

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。 

附图说明

图1为本发明实施例的一种液晶单元特性测定装置的示意图； 

图2为图1的液晶单元特性测定装置中，在一条偏光光线的光径上的光学元件的详细设置方式的示意图； 

图3为本发明另一实施例的液晶单元特性测定装置的示意图； 

图4a～图4c为利用本发明实施例的液晶单元特性测定装置来测定三种液晶显示面板的子像素(液晶单元)的液晶特性的示意图； 

图5为本发明一实施例的液晶单元特性测定方法的测定步骤的流程图； 

图6为利用本发明实施例的液晶单元特性测定装置以及液晶单元特性测定方法对于图案垂直配向(patterned vertical alignment，PVA)式液晶显示面板的单一子像素进行液晶特性(液晶厚度、预倾角)的测定的实际量测图。 

主要元件符号说明 

101：光源 

102：光谱分光模块 

103：第一导光元件 

104：准直透镜 

105：偏光产生器 

106：物镜 

107：偏光分析器 

108：成像透镜 

109、117：光接收模块 

110：传输线 

111、112：偏光光线 

112A：偏光光线的第一部分 

112B：偏光光线的第二部分 

114：消色差透镜 

115：第二导光元件 

116：多波长光谱仪模块 

200：数据处理器 

300：液晶单元 

402：光学感测器 

411：孔径镜片 

412：聚焦透镜 

500、502：液晶单元特性测定装置 

600：液晶单元特性测定方法 

B：蓝色子像素 

C1、C2：曲线 

D：探头 

G：绿色子像素 

P：空间点 

R：红色子像素 

RD：配向方向 

S11～S17：步骤 

P1：起偏器 

P2：检偏器 

C：相位差调制器 

具体实施方式

本发明的液晶单元特性测定装置以及液晶单元特性测定方法，可实现单 一子像素的液晶特性的测定。根据至少三个收光角度中的每一偏光光线的偏光强度，而计算该液晶单元的厚度或该液晶单元内的液晶分子的预倾角。 

例如，可利用已知的光谱信号来计算相位差资讯，再通过柯西方程式(Cauchy’s Equation)拟合相位差资讯。由所测定到的透射液晶单元的至少三个收光角度的相位差、以及已知波长的折射率(ne以及no)，可推算单一子像素(液晶单元)的液晶厚度与预倾角。或者，在一些光学条件为已知的前提之下，也可直接利用偏光光线的偏光强度来计算液晶厚度以及预倾角。 

本发明的液晶单元特性测定装置以及液晶单元特性测定方法适合用在线上(on-line)单一子像素的液晶厚度与预倾角的测定，以即时反应到液晶显示面板的制作工艺参数调整。 

再者，本发明的三个物镜是测定同一空间位置，能够进行单一子像素内的单点量测，以满足高空间分辨率的需求。并且，三个物镜可以大幅简化倾斜机构以及定位机构设计的难度。 

以下，参照附图详细说明本发明的液晶单元特性测定装置以及液晶单元特性测定方法的多个实施例。 

[液晶单元特性测定装置] 

图1为本发明实施例的一种液晶单元特性测定装置的示意图。液晶单元特性测定装置500至少能测定液晶单元300的厚度或液晶单元300内的液晶分子(未绘示)的预倾角。请参照图1，液晶单元特性测定装置500包括：光源101、至少三个偏光产生器105、至少三个物镜106、至少三个偏光分析器107以及数据处理器200。 

每一偏光产生器105从光源101取出具有特定偏光成分的偏光光线111，每一偏光光线111以倾斜入射角度投射到液晶单元300。每一物镜106以设定的收光角度而接收透射过液晶单元300的每一偏光光线112，收光角度对应于倾斜入射角度。每一偏光分析器107取得来自于每一物镜106的偏光光线112的偏光强度。数据处理器200根据至少三个收光角度中的每一偏光光线112的偏光强度，而计算液晶单元300的厚度或液晶单元300内的液晶分子的预倾角。 

上述的特定偏光成分可以是：线偏光、圆偏光或椭圆偏光。偏光产生器105可以是起偏器(未绘示)，偏光产生器105也可以是起偏器以及相位差调 制器(未绘示)的组合，且相位差调制器设置于起偏器的光学下游侧。由于起偏器与相位差调制器为本技术领域具有通常知识者可理解，可由此得到具有偏光成分的偏光光线，在此即不予以赘述起偏器与相位差调制器的详细内容。 

类似地，偏光分析器107可以是检偏器(未绘示)，偏光分析器107也可以是相位差调制器以及检偏器的组合，且相位差调制器设置于检偏器的光学上游侧。由于检偏器与相位差调制器为本技术领域具有通常知识者可理解，可由此检测具有偏光成分的偏光光线，在此即不予以赘述检偏器与相位差调制器的详细内容。 

继续参照图1可知，液晶单元特性测定装置500利用至少三个倾斜设置的偏光产生器105，来提供具有倾斜入射角度的偏光光线111。在偏光光线111穿透液晶单元300之后，通过在对应倾斜入射角度的收光角度的位置所设置的物镜106以及偏光分析器107，来对于透射的偏光光线112进行分析，例如：可进行透射的偏光光线112的相位差的分析。 

以往的液晶特性测定装置并未采用本发明的倾斜设计，因此，当需要取得倾斜入射角度方向上的光学资讯时，需要将液晶特性测定装置的量测单元进行大角度的旋转，以调整到倾斜入射角度的方向上。简言之，另外需要设置复杂的倾斜机构以及定位机构，来调整量测单元的倾斜方向与角度，整体的结构是复杂的。 

然而，在本发明的实施例中，通过使偏光产生器105、物镜106与偏光分析器107直接为倾斜的设计，即可直接取得在倾斜入射角度方向上的液晶单元300的光学资讯，也不需对于偏光产生器105、物镜106与偏光分析器107进行大角度的旋转，所以，本发明的实施例的液晶单元特性测定装置500不需进一步设置复杂的倾斜机构以及定位机构，而能简化整体的机构设计。 

另外，由于三个物镜106是测定液晶单元300的同一空间位置，亦即，三个物镜106取得来自于液晶单元300的同一个空间位置(单点)的光学资讯，所以，能够进行单一子像素内的单点空间的量测，以满足高分辨率的液晶显示面板的量测需求。 

请再参照图1，至少三个收光角度可以是以下几种设定方式，第一种设定方式是：使三个收光角度分别等于90度、大于90度以及小于90度。第二种设定方式是：使二个收光角度大于等于90度、且一个收光角度小于90 度。第三种设定方式是：使一个收光角度大于等于90度、且二个收光角度小于90度。通过上述的收光角度设定方式，可以使三个物镜106紧凑设置、并且能设定在所需要的收光角度，以取得在设定的收光角度方向上的光学资讯。 

虽然图1未绘示，但液晶单元特性测定装置500还可包括入射角度设定器(未绘示)以及收光角度设定器。入射角度设定器能够调整偏光光线111到所需的倾斜入射角度，而收光角度设定器(未绘示)能够调整物镜106到所需的收光角度、且对应于偏光光线111的倾斜入射角度。 

请参照图1，液晶单元特性测定装置500还可包括：至少三个第一导光元件103，以及至少三个准直透镜104。每一第一导光元件103光学地连接于光源101、且分别从光源101取得光线。每一准直透镜104光学地连接于每一第一导光元件103，每一准直透镜104使得每一光线成为准直光线而入射每一偏光产生器105。 

第一导光元件103可以采用光纤，使来自光源101的光线在光纤内传输。准直透镜104则使来自于第一导光元件103的光线准直化。通过上述第一导光元件103以及至少三个准直透镜104，可依设计需要来设定从光源101到偏光产生器105之间的光线传输路径。 

请参照图1，液晶单元特性测定装置500还可包括：至少三个成像透镜108，每一成像透镜108设置于每一偏光分析器107的光学下游侧，接收来自每一偏光分析器107的每一偏光光线112。通过上述成像透镜108，可以有效地收集来自于偏光分析器107的偏光光线112，以利于传送到后述的光接收模块109。 

液晶单元特性测定装置500可包括：至少三个光接收模块109，每一光接收模块109设置于每一偏光分析器107的光学下游侧，每一光接收模块109取得来自于每一偏光分析器107的偏光光线112的光强度。 

另外，液晶单元特性测定装置500还可包括：至少三个第二导光元件115，每一第二导光元件115光学地连接于每一光接收模块109。同样地，第二导光元件115可以采用光纤，使来自偏光光线112在光纤内传输。通过上述第二导光元件115的设置，可依设计需要来设定从光接收模块109到后续多波长光谱仪模块116之间的光线传输路径。 

请参照图1，液晶单元特性测定装置500可包括：多波长光谱仪模块116， 光学地连接于每一第二导光元件115与数据处理器200之间。多波长光谱仪模块116可以测定多波长的光强度，在进一步将光学信号转成电子信号，并通过传输线110而传输到数据处理装置200。 

总而言之，图1所示的液晶单元特性测定装置500中，可将光源101之光分为三道准直光束。偏光产生器105取出平行光的偏振态，以个别所设定的倾斜入射角度的偏光光线111投射至待测的液晶单元300。由物镜106分别接收透射过液晶单元300、且相应的倾斜的收光角度的偏光光线112。在此，图1的三个物镜106(由右至左)分别设定为50度，90度以及140度。由偏光分析器107使特定偏振态的偏振光线112通过。由成像透镜108使具有特定偏振态的偏振光线112成像到光接收模块109。再经由导光元件115使具有特定偏振态的偏振光线112进入多波长光谱仪模块116，以测定多波长的光强度，该光强度的电子信号继而通过传输线110进入数据处理装置200。如此一来，将可获得液晶厚度及预倾角资讯。 

图2为图1的液晶单元特性测定装置中，在一条偏光光线的光径上的光学元件的详细设置方式的示意图。请同时参照图1与图2，大致上两者的光学元件的设置方式是相同的。可注意到，如图2所示，每一光接收模块109还可包括：孔径镜片411、聚焦透镜412、消色差透镜114以及光学感测器402。 

请参照图2，通过每一偏光分析器107的偏光光线112的第一部分112A通过孔径镜片411而在第一光径上传输、且偏光光线112的第二部分112B被孔径镜片411反射而在第二光径上传输，第一光径约略垂直于第二光径；聚焦透镜412设置于第一光径上、接收偏光光线112的第一部分112A，且将偏光光线112的第一部分112A往数据处理器200传输。消色差透镜114设置于第二光径上、接收偏光光线112的第二部分112B。光学感测器402设置于第二光径上，感测经过消色差透镜114的偏光光线112的第二部分112B。 

请参照图2，以理解光线经过这些光学元件的详细过程。首先，利用偏光产生器105取出具有平行光的偏振态的偏光光线111，并将偏光光线111投射到待测的液晶单元300。由物镜106接收透射过液晶单元300的相应倾斜角度的偏光光线112。继之，由偏光分析器107使特定偏振态的偏光光线112通过，且由成像透镜108使偏光光线112成像到光接收模块109内。 

可注意到，光接收模块109包含孔径镜片411。孔径镜片411的作法例如是：可将玻璃上镀铝、并蚀刻孔径。并且，可由消色差透镜114将在孔径镜片411上的影像成像到光学感测器402上。光学感测器402可以是面型电荷耦合元件(area CCD)。在本实施例中，光学感测器402主要作为影像对焦或是定位的用途，也可用作待测的液晶单元300的光学特性测定用途。 

通过孔径镜片411的偏光光线112的第一部分112A，在本实施例中将作为测定液晶分子的预倾角及液晶厚度的用途。可经由聚焦透镜412使偏光光线112的第一部分112A入射到导光元件115，继而进入多波长光谱仪模块116以测定多波长的光强度。电子信号通过传输线110再进入数据处理装置200，如此一来，将可获得单一子像素的液晶预倾角及液晶厚度资讯。 

图3为本发明另一实施例的液晶单元特性测定装置的示意图。请参照图3，液晶单元特性测定装置502大致上与图1所示的液晶单元特性测定装置500类似，相同的元件标示以相同的符号，并不再赘述。 

可注意到，液晶单元特性测定装置502包括：光谱分光模块102，设置于光源101与偏光产生器105之间。也就是说，在图3的实施例中，利用光谱分光模块102从光源101取出特定波长的光线以进行后续的液晶特性量测，并且，图3的光接收模块117是用于量测特定波长的偏光光线112。相较于此，图2中的实施例是从光源101取出多波长的光线以进行后续的液晶特性量测，并且，图2的光接收模块109可量测多波长的偏光光线112。 

进一步而言，请参照图3以理解光线经过这些光学元件的详细过程。图3的光谱分光模块102通常是使用单光仪(monochromator)或是波长选择的元件，例如是滤光片或是液晶波长选择滤光片(liquid crystal tunable filter)以取得特定波长的光。第一导光元件103以及准直透镜104将特定波长之光分为三道准直光束。偏光产生器105取出平行光的偏振态，以个别所设定的倾斜入射角度的偏光光线111投射至待测的液晶单元300。由物镜106分别接收透射过液晶单元300、且相应的倾斜的收光角度的偏光光线112。由偏光分析器107使特定偏振态的偏振光线112通过。由成像透镜108使具有特定偏振态的偏振光线112成像到光接收模块117，以测定特定波长的光强度。光接收模块117通常可以包含：面型电荷耦合元件，或是包含：光二极管(photodiode)连结电流计(current meter)的结构，以将光强度转换为电子信号。最后，电子信号经由传输线110进入数据处理装置200。如此一来，将可获 得液晶单元300的液晶预倾角及液晶厚度资讯。 

在上述图1～图3的实施例中，描述了：液晶单元特性测定装置500、502至少能测定液晶单元300的厚度或液晶单元300内的液晶分子的预倾角。然而，液晶单元特性测定装置500、502还能够得知其他的液晶单元特性，例如：还可通过分析所测得的资讯来计算液晶分子的旋转角(twist angle)、或得知液晶单元300的配向方向(rubbing direction)。 

另外，在上述图1～图3的实施例中，仅描述三个倾斜的偏光产生器105、物镜106与偏光分析器107的设计，然而，并不限于此，还可以是三个以上的设计，以进一步取得液晶单元300更多的光学资讯，提升量测的精密度。 

再者，至少可以将倾斜设置的偏光产生器105、物镜106与偏光分析器107设计成模块化的设计，亦即：将偏光产生器105、物镜106与偏光分析器107制作成单一个光学量测模块。如此一来，可以将模块化的光学量测模块适用在各种液晶特性光学量测机台上，有利于机台的组装与设计的简化。 

图4a～图4c为利用本发明实施例的液晶单元特性测定装置，来测定三种液晶显示面板的子像素(液晶单元)的液晶特性的示意图。图4a～图4c显示出本发明实施例的液晶单元特性测定装置500、502可以应用在多种液晶显示面板的量测上。 

请参照图4a，对于共平面切换式液晶显示面板(In plane switching，IPS)而言，IPS液晶显示面板的预倾角约为0～3度。三个探头D的倾斜方向是沿着IPS液晶显示面板的配向方向RD(rubbing direction)。 

请参照图4b，对于小扭转角的液晶显示面板(π-cell)而言，π-cell结构上的相位差对称相抵消，三个探头D的倾斜方向沿着π-cell结构的配向方向。可以利用数值拟合求解出液晶厚度与预倾角。 

请参照图4c，对于扭转向列式液晶显示面板(twisted nematic，TN)而言，三个探头D的排列方式配合着液晶分子的扭转而转了90度，而位于图4c的垂直方向上，如此能够测定预倾角的特性。 

另外，虽未绘示多域垂直配向型(Multi-domain Vertical Alignment，MVA)液晶显示面板，但本发明实施例的液晶单元特性测定装置500、502也可测定多域垂直配向型液晶显示面板的液晶单元的液晶特性。在多域垂直配向型液晶显示面板中，常以脊状结构(protrusion)或是高分子配向，液晶排列类似于：接近90度预倾角的IPS结构。因此，可采用类似于IPS液晶显示面 板的方式，来设置三个探头D的倾斜角度及沿着配向方向RD的方式，来测定MVA液晶显示面板。 

上述的探头D可以是图1所示的物镜106、偏光分析器107、成像透镜108、光接收模块109的组合，也可以是图3所示的106、偏光分析器107、成像透镜108、光接收模块117的组合。 

以下将继续描述本发明的液晶单元特性测定方法的实施方式。 

[液晶单元特性测定方法] 

请配合图1，以理解本发明实施例的液晶单元特性测定方法。此液晶单元特性测定方法至少能测定液晶单元的厚度或液晶单元内的液晶分子的预倾角。首先，从光源101取出具有特定偏光成分的至少三条偏光光线111。接着，使每一偏光光线111以倾斜入射角度投射到液晶单元300。再来，提供至少三个物镜106，每一物镜106以设定的收光角度而接收透射过液晶单元300的每一偏光光线112，收光角度对应于倾斜入射角度。继之，提供至少三个偏光分析器107，每一偏光分析器107取得来自于每一物镜106的偏光光线112的偏光强度。之后，提供数据处理器200，根据至少三个收光角度中的每一偏光光线112的偏光强度，而计算液晶单元300的厚度、或液晶单元300内的液晶分子的预倾角。 

关于液晶单元特性测定方法中所使用到的各种光学元件、倾斜入射角度的设定方式、使用偏光光线的种类等等，已经于上述的液晶单元特性测定装置500、502描述过，在此即不予以重述。以下，进一步描述液晶单元特性测定方法的测定步骤。 

图5为本发明一实施例的液晶单元特性测定方法的测定步骤的流程图。请参照图5，此液晶单元特性测定方法600包括步骤S11～S17。在此实施例中，根据至少三个收光角度中的每一偏光光线112的偏光强度，且利用拟合相位差的方式，而计算液晶单元300的厚度、或液晶单元300内的液晶分子的预倾角。 

首先，在步骤S11中，输入已知波长的液晶折射率ne、no，其中，ne为非寻常光液晶折射率(即液晶光轴方向的折射率)，no为寻常光液晶折射率(即垂直液晶光轴方向的折射率)。 

在步骤S12中，如图4a～图4c的其中之一的探头D作影像对焦(image focusing)，确认成像为最清晰。 

接着，在步骤S13中，需使用影像处理确认三个探头D各自量测的液晶单元300的空间位置为共点。 

接着，在步骤S14中，测定三个各自的探头D所量得的光强度信号。 

再来，于步骤S15中，计算个别(波长)的相位差。 

继之，于步骤S16中，以柯西方程式(式(1))拟合各波长对应的相位差， 

$A+B\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2}---\left(1\right)$

其中，λ为波长，A和B为所需拟合系数。 

由此，可获得全光谱的相位差，且步骤S16可解决彩色滤光片的有限穿透光谱和液晶折射率无法对应的问题。 

之后，在步骤S17，输出最小误差的液晶厚度与预倾角结果。通过以下的式(2)～(5)来进行相关的计算， 

${\mathrm{\δ}}_E\left(j\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\δ}}_{e,j}-{\mathrm{\δ}}_{o,j})---$ 式(2) 

式(2)表示：个别的液晶分子累加后的相位； 

且式(2)中的δ_e，j以式(3)来表示，式(2)中的δ_o，j以式(4)来表示： 

${\mathrm{\δ}}_{e,j}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_{e,j}\·d---$ 式(3) 

${\mathrm{\δ}}_{o,j}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_{o,j}\·d---$ 式(4) 

其中，n_e，j为非寻常光倾斜后的等效折射率，n_o，j为寻常光倾斜后的等效折射率，d为液晶分子厚度。 

而最小误差的计算方式可以依照式(5)来计算： 

$S.D.=\sqrt{\frac{1}{3}\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{[{\mathrm{\δ}}_s\left(j\right)-{\mathrm{\δ}}_E\left(j\right)]}^2}---$ 式(5) 

其中，δ_s(j)是相应倾斜角度的理论值，当S.D.为最小时即为最小误差解。 

当然，上述式(1)～式(5)是采用三个探头D的时候的计算方式，本领域技术人员参照本案的说明书之后，可以任意根据所使用的探头数量(即多个探头所取得的光学资讯的总数量)来进行相关的计算，以得到液晶单元的预 倾角、液晶厚度或其他液晶特性。 

另外，在其他的实施例中，除了采用上述拟合相位差的方式，还可直接利用偏光光线的偏光强度来计算液晶单元的预倾角、液晶厚度或其他液晶特性，通过以下的式(6)～(8)来进行相关的计算，说明如下： 

当液晶折射率相应于红色子像素R、绿色子像素G以及蓝色子像素B都是已知，可直接使用偏光光线的偏光强度来计算液晶单元的预倾角、液晶厚度，详细而言： 

液晶单元的矩阵描述式如式(6)所示： 

$M=\left[\begin{array}{cc}{e}^{j{\mathrm{\δ}}_{e,j}}& 0\\ 0& e^{j{\mathrm{\δ}}_{o,j}}\end{array}\right]---$ 式(6) 

所使用的偏光产生器、偏光分析器等元件可具有已知的设定条件，其中，起偏器以符号P1代表、相位差调制器以符号C代表、检偏器以符号P2代表。 

在此例子中，光线依序通过起偏器P1、液晶单元(即液晶单元的矩阵M)、相位调制器C、检偏器P2，由此可推导出光线通过的光强度I_E的表示式(7) 

I_E＝|P2·C·M·P1|².....................式(7) 

接着，最小误差的计算方式可以依照式(8)来计算： 

$S.D.=\sqrt{\frac{1}{3}\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{[I_s\left(j\right)-I_E\left(j\right)]}^2}---$ 式(8) 

其中，I_s(j)是相应倾斜角度的偏光强度理论值，当S.D.为最小时，即为最小误差解。由此，可直接利用偏光光线的偏光强度来计算最小误差的液晶厚度与预倾角结果。 

图6为利用本发明实施例的液晶单元特性测定装置以及液晶单元特性测定方法对于图案垂直配向(patterned vertical alignment，PVA)式液晶显示面板的单一子像素进行液晶特性(液晶厚度、预倾角)的测定的实际量测图。 

请参照图6，液晶单元特性测定装置500、502可以量测红色子像素R、绿色子像素G以及蓝色子像素B任何一个之内的单一个点的液晶特性。如图6所示，量测绿色子像素G内的12个空间点P，而得到图6所示的图表。在图6的图表中，左方的纵轴代表液晶厚度(nm)，右方的纵轴代表预倾角(°)，横轴则代表子像素内的12个空间点P的相对位置。如图6所示，曲线C1表示各个空间点P的液晶厚度，曲线C2表示各个空间点P的预倾角。 

由图6可知，本发明实施例的液晶单元特性测定装置500、502可以量测单一子像素中的任一个空间点P，并且至少能同时计算液晶厚度和预倾角，而能够快速地、准确地量测液晶特性，满足高分辨率液晶显示面板的量测需求。 

综上所述，本发明的液晶单元特性测定装置以及液晶单元特性测定方法至少具有以下优点： 

使用倾斜设置的偏光产生器、物镜以及偏光分析器，可以取出透射过液晶单元的不同偏振特性的光强度。如此，可针对子像素内的单一个空间点进行液晶厚度与预倾角的准确测定。采用至少三个探头的精简结构搭配倾斜的设置方式，能够大幅简化机构设计的难度、并提升可靠度， 

另外，基于倾斜设置的至少三个偏光产生器和至少三个偏光分析器，以三个偏光产生器投射不同偏振态的偏光光线到液晶单元上。例如，可以相对应的三个偏光分析器所组成的不同偏光特性所取出的光谱强度计算相位差，进而拟合全光谱的相位差资讯。再通过已知的非寻常光液晶折射率ne和寻常光液晶折射率no，即可测定液晶厚度及预倾角，且可应用于各种配向型态的液晶显示面板的测定。亦即，利用偏光光线的光谱来拟合相位差，以估算子像素的液晶特性的技术方案，可以同步计算液晶厚度以及预倾角，可增加速度和准确性。另外，在上述的一些光学条件为已知的前提之下，也可直接利用偏光光线的偏光强度来计算液晶厚度以及预倾角。 

本发明的液晶单元特性测定装置以及液晶单元特性测定方法可解析不同类型液晶模态(如IPS、TN、MVA等)的光学特性，能够进一步满足产业需求。 

虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。 

Claims (34)

1.一种液晶单元特性测定装置，至少能测定该液晶单元的厚度或该液晶单元内的液晶分子的预倾角，该液晶单元特性测定装置的特征在于包括：

光源；

至少三个偏光产生器，每一偏光产生器从该光源取出具有特定偏光成分的一偏光光线，每一偏光光线以一倾斜入射角度投射到该液晶单元；

至少三个物镜，每一物镜以设定的一收光角度而接收透射过该液晶单元的每一偏光光线，该收光角度对应于该倾斜入射角度；

至少三个偏光分析器，每一偏光分析器取得来自于每一物镜的该偏光光线的偏光强度；以及

数据处理器，根据至少三个收光角度中的每一偏光光线的偏光强度，而计算该液晶单元的厚度或该液晶单元内的液晶分子的预倾角。

2.如权利要求1所述的液晶单元特性测定装置，其特征在于，至少三个该收光角度分别为：

等于90度、大于90度以及小于90度。

3.如权利要求1所述的液晶单元特性测定装置，其特征在于，至少三个该收光角度分别为：

两个该收光角度大于等于90度、且一个该收光角度小于90度。

4.如权利要求1所述的液晶单元特性测定装置，其特征在于，至少三个该收光角度分别为：

一个该收光角度大于等于90度、且两个该收光角度小于90度。

5.如权利要求1的液晶单元特性测定装置，其特征在于还包括：

至少三个第一导光元件，光学地连接于该光源、且分别从该光源取得一光线；以及

至少三个准直透镜，每一准直透镜光学地连接于每一第一导光元件，每一准直透镜使得每一光线成为一准直光线而入射每一偏光产生器。

6.如权利要求1的液晶单元特性测定装置，其特征在于还包括：

至少三个成像透镜，每一成像透镜设置于每一偏光分析器的一光学下游侧，接收来自每一偏光分析器的每一偏光光线。

7.如权利要求1的液晶单元特性测定装置，其特征在于还包括：

至少三个光接收模块，每一光接收模块设置于每一偏光分析器的一光学下游侧，每一光接收模块取得来自于每一偏光分析器的该偏光光线的光强度。

8.如权利要求7的液晶单元特性测定装置，其特征在于还包括：

至少三个第二导光元件，每一第二导光元件光学地连接于每一光接收模块。

9.如权利要求8的液晶单元特性测定装置，其特征在于还包括：

多波长光谱仪模块，光学地连接于每一第二导光元件与该数据处理器之间。

10.如权利要求7的液晶单元特性测定装置，其特征在于，每一光接收模块包括：

孔径镜片，通过每一偏光分析器的该偏光光线的一第一部分通过该孔径镜片而在一第一光径上传输、且该偏光光线的一第二部分被该孔径镜片反射而在一第二光径上传输，该第一光径垂直于该第二光径；

聚焦透镜，设置于该第一光径上、接收该偏光光线的该第一部分，且将该偏光光线的该第一部分往该数据处理器传输；

消色差透镜，设置于该第二光径上、接收该偏光光线的该第二部分；以及

光学感测器，设置于该第二光径上，感测经过该消色差透镜的该偏光光线的该第二部分。

11.如权利要求1的液晶单元特性测定装置，其特征在于还包括：

光谱分光模块，设置于该光源与该些偏光产生器之间。

12.如权利要求1的液晶单元特性测定装置，其特征在于，该特定偏光成分包括：线偏光、圆偏光或椭圆偏光。

13.如权利要求1所述的液晶单元特性测定装置，其特征在于，该偏光产生器包括：一起偏器。

14.如权利要求1所述的液晶单元特性测定装置，其特征在于，该偏光产生器包括：一起偏器以及一相位差调制器，该相位差调制器设置于该起偏器的一光学下游侧。

15.如权利要求1所述的液晶单元特性测定装置，其特征在于，该偏光分析器包括：一检偏器。

16.如权利要求1所述的液晶单元特性测定装置，其特征在于，该偏光分析器包括：一相位差调制器以及一检偏器，该相位差调制器设置于该检偏器的一光学上游侧。

17.如权利要求1所述的液晶单元特性测定装置，其特征在于，该数据处理器根据至少三个收光角度中的每一偏光光线的偏光强度来拟合(Fitting)相位差，而计算该液晶单元的厚度或该液晶单元内的液晶分子的预倾角。

18.一种液晶单元特性测定方法，至少能测定该液晶单元的厚度或该液晶单元内的液晶分子的预倾角，该液晶单元特性测定方法的特征在于包括：

从一光源取出具有特定偏光成分的至少三条偏光光线；

使每一偏光光线以一倾斜入射角度投射到该液晶单元；

提供至少三个物镜，每一物镜以设定的一收光角度而接收透射过该液晶单元的每一偏光光线，该收光角度对应于该倾斜入射角度；

提供至少三个偏光分析器，每一偏光分析器取得来自于每一物镜的该偏光光线的偏光强度；以及

提供一数据处理器，根据至少三个收光角度中的每一偏光光线的偏光强度，而计算该液晶单元的厚度或该液晶单元内的液晶分子的预倾角。

19.如权利要求18所述的液晶单元特性测定方法，其特征在于，至少三个该收光角度分别为：

等于90度、大于90度以及小于90度。

20.如权利要求18所述的液晶单元特性测定方法，其特征在于，至少三个该收光角度分别为：

二个该收光角度大于等于90度、且一个该收光角度小于90度。

21.如权利要求18所述的液晶单元特性测定方法，其特征在于，至少三个该收光角度分别为：

一个该收光角度大于等于90度、且两个该收光角度小于90度。

22.如权利要求18的液晶单元特性测定方法，其特征在于还包括：

提供至少三个第一导光元件，光学地连接于该光源、且分别从该光源取得一光线；以及

提供至少三个准直透镜，每一准直透镜光学地连接于每一第一导光元件，每一准直透镜使得每一光线成为一准直光线而入射每一偏光产生器。

23.如权利要求18的液晶单元特性测定方法，其特征在于还包括：

提供至少三个成像透镜，每一成像透镜设置于每一偏光分析器的一光学下游侧，接收来自每一偏光分析器的每一偏光光线。

24.如权利要求18的液晶单元特性测定方法，其特征在于还包括：

提供至少三个光接收模块，每一光接收模块设置于每一偏光分析器的一光学下游侧，每一光接收模块取得来自于每一偏光分析器的该偏光光线的光强度。

25.如权利要求24的液晶单元特性测定方法，其特征在于还包括：

提供至少三个第二导光元件，每一第二导光元件光学地连接于每一光接收模块。

26.如权利要求25的液晶单元特性测定方法，其特征在于还包括：

提供一多波长光谱仪模块，光学地连接于每一第二导光元件与该数据处理器之间。

27.如权利要求24的液晶单元特性测定方法，其特征在于，每一光接收模块包括：

孔径镜片，通过每一偏光分析器的该偏光光线的一第一部分通过该孔径镜片而在一第一光径上传输、且该偏光光线的一第二部分被该孔径镜片反射而在一第二光径上传输，该第一光径垂直于该第二光径；

聚焦透镜，设置于该第一光径上、接收该偏光光线的该第一部分，且将该偏光光线的该第一部分往该数据处理器传输；

消色差透镜，设置于该第二光径上、接收该偏光光线的该第二部分；以及

光学感测器，设置于该第二光径上，感测经过该消色差透镜的该偏光光线的该第二部分。

28.如权利要求18的液晶单元特性测定方法，其特征在于还包括：

提供一光谱分光模块，设置于该光源与该些偏光产生器之间。

29.如权利要求18的液晶单元特性测定方法，其特征在于，该特定偏光成分包括：线偏光、圆偏光或椭圆偏光。

30.如权利要求18所述的液晶单元特性测定方法，其特征在于，该偏光产生器包括：一起偏器。

31.如权利要求18所述的液晶单元特性测定方法，其特征在于，该偏光产生器包括：一起偏器以及一相位差调制器，该相位差调制器设置于该起偏器的一光学下游侧。

32.如权利要求18所述的液晶单元特性测定方法，其特征在于，该偏光分析器包括：一检偏器。

33.如权利要求17所述的液晶单元特性测定方法，其特征在于，该偏光分析器包括：一相位差调制器以及一检偏器，该相位差调制器设置于该检偏器的一光学上游侧。

34.如权利要求17所述的液晶单元特性测定方法，其特征在于，该数据处理器根据至少三个收光角度中的每一偏光光线的偏光强度来拟合(Fitting)相位差，而计算该液晶单元的厚度或该液晶单元内的液晶分子的预倾角。

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