CN1136433C - 垂直定位的液晶板的单元间隙的测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种垂直定位的液晶板的单元间隙的测量方法和测量装置。光线以相对于VA(垂直定位的)液晶板的一个角度入射，该液晶板的表面垂直于液晶分子的光轴，因此人为产生只归因于液晶层的双折射。这就允许VA液晶的厚度(单元间隙)能被精确地测量。

Description

垂直定位的液晶板的单元间隙的测量方法和装置
技术领域
本发明涉及密封在一个面板里的垂直定位的液晶(以下记作VA液晶)的厚度测量方法和器件。
背景技术
液晶显示板包含在它们上部和底部的玻璃层及用液晶填充的中间层。将用液晶填充的部分先用空气填充直到液晶被密封于此。
已有密封于板中的液晶厚度(单元间隙)的常规测量方法，其中光线从没有密封液晶的板上方引导，使得测量到光线的反射干涉，以得到空气层的厚度，该厚度被认作液晶的厚度(反射-干涉方法)。
然而，在严格意义上，空气层的厚度和密封的液晶的厚度是不等的。因此，人们期待着发展一种直接测量密封液晶厚度的方法。
另一个已知的方法是利用液晶具有的单轴晶体双折射性质，以光线从与密封液晶的液晶板垂直的偏光镜引导出的方式，以便测量光透过率。在光透过率的基础上，液晶的双折射相位差(被称作“延迟”)被确定，从其中得到单元间隙。(参考H.L.Ong，Appl.Phys.Lett.51(18)，2 November 1987，pp1398-1400，日本未审查专利公开Nos.H4-307312和H2-118406。)
尽管上述方法是利用液晶双折射性质的极好测量方法，它只对晶轴平行于显示板表面的液晶起作用，并且不适用于包括晶轴垂直显示板表面的VA液晶在内的液晶。这是由于，就单轴晶体而论，当从光行驶方向看时，“晶轴垂直于显示板表面的液晶”与各向同性晶体没有不同。
尽管上述反射-折射方法可以应用到各向同性液晶上，由于液晶的折射率接近于玻璃的折射率，只能期望弱的干涉光产生，该方法在测量的薄膜厚度中引起大的误差范围。
发明内容
因此，本发明的一个目标是提供精确测量VA液晶厚度(单元间隙)的方法和装置，该液晶具有双折射性质，其光轴在垂直于液晶板表面的方向。
根据本发明一种垂直定位的液晶板的单元间隙的测量方法，该垂直定位的液晶的光轴在垂直于液晶板表面的方向，该方法包含以下步骤：(1)从光源的光中抽出固定偏振成分；(2)把偏振成分的光引导到该垂直定位的液晶板上，使得光倾斜地入射到垂直定位的液晶板的光轴上；(3)测量穿过垂直定位的液晶板的光的特定偏振成分的透射强度；(4)在透射强度的基础上确定垂直定位的液晶板的双折射相位差R；以及(5)通过双折射相位差R和垂直定位的液晶的寻常折射率no和非寻常折射率ne数据，得到垂直定位的液晶的厚度。
上述“光源的光”可以是单色光或多色光(例如白光)。在单色光的情况下，透射强度的测量可直接通过一种光接收元件进行。另一方面，在多色光的情况下，透射强度的测量可通过分光镜的光接收元件进行。
在这种方法中，通过引导光线使得光倾斜地入射到液晶板的光轴上，只由液晶层引起的双折射被人为造成。因此，VA液晶的厚度可精确地测量。
根据本发明的一种垂直定位的液晶板的单元间隙的测量装置，该垂直定位的液晶的光轴在垂直于液晶板表面的方向，该装置包含：光源；(1)从光源的光中抽出固定偏振成分的偏光镜；(2)能够引导偏光镜的光的光轴设置装置，使得光倾斜入射到垂直定位的液晶板的光轴上；(3)用于抽出穿过垂直定位的液晶板的光的特定偏振成分的分析器；(4)测量分析器的透射强度的光接收器；以及(5)在透射强度的基础上用于确定垂直定位的液晶板的双折射相位差R的数据处理器，以便通过双折射相位差R和垂直定位的液晶的寻常折射率no和非寻常折射率ne数据，得到垂直定位的液晶的厚度。
该装置包括能够把光引导到VA液晶板的光轴设置装置，使得光倾斜地入射到VA液晶板的光轴上。引导光以便倾斜地入射到VA液晶的光轴，允许只由液晶层造成的双折射被人为造成。因此，VA液晶的厚度可被精确测量。
附图说明
图1是显示单元间隙测量装置的方框图。
图2是显示单元间隙测量装置的方框图，其中框架是倾斜的。
图3是用于解释光入射到VA液晶的角θ和光穿过VA液晶的角α之间关系的图。
图4显示VA液晶的折射率椭球。
图5显示当光是倾斜时的折射率椭球。
图6是图5的局部视图。
图7是光系统必要部分的透视图，其中入射角θ关于作为中心的y-轴倾斜。
图8是一个图表，显示当VA液晶上的入射角θ在25°到45°之间逐步变化时得到的延迟R和波长λ之间的关系。
图9是基于在589nm波长的延迟R，用于得到单元间隙d0的计算结果的图表。
具体实施方式
图1是显示单元间隙的测量装置的方框图。
测量装置包含诸如卤素灯的光源11，用于得到单色光的单色仪12，用于引导单色仪12发射出的光的入射光纤13，从入射光纤13的光中抽出线偏振光的偏光镜14，样品VA液晶板15，从穿过VA液晶板15的光中抽出线偏振光的分析器16，引导穿过分析器16的光的排出光纤17，光接收器18和数据处理器19。
入射光纤13，排出光纤17，偏光镜14和分析器16被固定在一个框架中。入射到VA液晶板15的入射角θ可通过旋转该框架而发生变化，例如，通过马达M。马达M的旋转角数据被输入到数据处理器19中。
同时，为了改变光入射到VA液晶板15的入射角θ，也可采用一种机械装置，其中该框架被固定，同时用于在其中安装VA液晶板的工作台是可倾斜的。
图2显示单元间隙测量装置的方框图，其中该框架倾斜一个角度θ。在这种情况下，光入射到VA液晶板15的角度是如图3所示的θ，并且由于折射，光穿过VA液晶板15的倾斜是α。当VA液晶板外面的折射率被定义为n1(由于VA液晶的外面通常是空气，n1等于1)，VA液晶的折射率被定义为n2时，θ和α之间的关系可以用下面的等式描述：
n2 sinα＝n1 sinθ          (1)(Snell定律)
在这里，由于VA液晶的双折射，VA液晶的折射率n2不能作为一个单值被确定。因此，使用非寻常折射率ne和寻常折射率no的平均值，由下式给出：
n2＝(ne+no)/2               (2)
另外，在VA液晶内部的光程长度是如图3所示的d1。d1和VA液晶的厚度(单元间隙)d0之间的关系用下式描绘：
d1 cosα＝d0                (3)
图4是VA液晶的折射率椭球的透视图。VA液晶的晶轴被设为沿着坐标系的z-轴。既然对z-轴方向的光，VA液晶表现为各向同性介质，因此折射率不依赖于光的偏振方向。
图5说明了VA液晶被倾斜到一定角度θ时的折射率椭球。z＇-轴指示VA液晶的晶轴，z-轴指示光的行驶方向。z＇-轴和z-轴形成角度α。
图6说明了图5中划阴影线的部分。在VA液晶内部的其振幅是x-轴方向的光束(该光束以下记作“非寻常倾斜光束”)的折射率nα可从下式得出：
nα＝[ne2no2/(ne2cos2α+no2sin2α)]1/2             (4)
同时，其振幅是y-轴方向的光束的折射率(该光束以下记作“寻常光束”)和VA液晶的寻常折射率no相同。
因此，寻常光束和非寻常倾斜光束的折射率差别Δn由下式给出：
Δn＝ABS(nα-no)            (5)
其中ABS是绝对值，当α＝0时Δn＝0，当α＞0时Δn＞0。
由于VA液晶的ne和no及入射角θ被作为数据给出，数据处理器19通过等式(1)和(2)发现穿过VA液晶的非寻常倾斜光束的角度α。其次，它通过等式(4)计算VA液晶内部的光的折射率nα，及通过上面的等式(5)计算折射率差别Δn。
由于折射率差别Δn已经得到，穿过VA液晶的寻常光束和非寻常倾斜光束之间的延迟R被实验确定，并送给数据处理器19。然后，数据处理器19在下式的基础上计算光程长度d1：
d1＝R/Δn                   (6)
其次，数据处理器19通过上述的等式(3)，把VA液晶内部的光程长度d1转换为单元间隙d0。因此，可得到VA液晶的单元间隙。
从上述的解释已经明白，单元间隙测量装置的使用者需要把VA液晶的ne和no数据输入到数据处理器19中，除此之外，需要发现当入射θ被倾斜时，穿过VA液晶的寻常光束和非寻常倾斜光束之间的延迟R。现在，讨论怎样得到延迟R。
图7是光系统基本部分的透视图，其中入射角θ关于作为中心的y-轴倾斜。入射光的方向被显示为z"-轴，x"-轴被设为垂直于y-轴和z"-轴的方向。
偏光镜14的偏振方向关于y-轴在包括y-轴和x"-轴的平面内被顺时针倾斜45°。分析器16的偏振方向关于y-轴在包括y-轴和x"-轴的平面内被顺时针倾斜45°，以便测量平行尼科耳棱镜情况下的透射强度Tp。然后，分析器16进一步倾斜90°(总共135°)，以便测量交叉尼科耳棱镜情况下的透射强度Tc。
在平行尼科耳棱镜的情况下，透射强度Tp由下式描述：
Tp＝cos2β                  (7)
在交叉尼科耳棱镜的情况下，透射强度Tc由下式描述：
Tc＝sin2β                  (8)
在这里，由于测量的波长以λ给出，β被定义为
β＝R/                      (9)
这就导致下式：
Tc/Tp＝tan2β               (10)
于是，延迟R由下式给出：
R＝λtan-1(Tc/Tp)           (11)
顺便提及，本发明并不局限于上述的实施方案。代替上述实施方案中使用的光源11和单色仪12的组合，激光束源也可以用于单色光源。
另外，尽管透射强度测量通过上述实施方案的光源11，单色仪12和光接收器18的组合装置来执行，除去单色仪12和在光接收器18前面配置分光镜是可能的。当使用分光镜时，可任意确定分光方法，其中，例如，颜色过滤器，棱镜，光栅等可被采用。
此外，代替使用倾斜光轴的马达M，该装置可被安排使得安装VA液晶板的框架或工作台可以用手倾斜。或着，该装置可被安排使得光轴预先倾斜到一固定角度。
[实例]
关于VA液晶板(单元间隙近似为3.5μm，从其间隔直径估计出)，入射角θ从25°到45°之间逐步变化，以发现延迟R和波长λ之间的关系。得到的结果作为表格显示在图8中。
在波长为589nm时的延迟R从该表格中读出，单元间隙d0通过根据本发明的计算得到。结果显示在图8的表中。
如图9所示，根据入射角θ从25°到45°之间的变化，单元间隙d0有轻微的波动。然而，该值几乎恒定在3.5μm附近。既然波动趋势在入射角从25°到45°的范围内是不恒定的，假定波动效果可通过平均被否定是可能的。
上述结果表明不论入射角θ值的大小，通过根据本发明的VA液晶板的单元间隙的测量方法，单元间隙d0可被精确测量。

Claims (7)

1.一种垂直定位的液晶板的单元间隙的测量方法，该垂直定位的液晶的光轴在垂直于液晶板表面的方向，该方法包含以下步骤：
(1)从光源的光中抽出固定偏振成分；
(2)把偏振成分的光引导到该垂直定位的液晶板上，使得光倾斜地入射到垂直定位的液晶板的光轴上；
(3)测量穿过垂直定位的液晶板的光的特定偏振成分的透射强度；
(4)在透射强度的基础上确定垂直定位的液晶板的双折射相位差R；以及
(5)通过双折射相位差R和垂直定位的液晶的寻常折射率no和非寻常折射率ne数据，得到垂直定位的液晶的厚度。
2.如权利要求1的垂直定位的液晶板的单元间隙的测量方法，其中双折射相位差R分别通过测量平行尼科耳棱镜和交叉尼科耳棱镜情况下的透射强度而得到。
3.如权利要求1的垂直定位的液晶板的单元间隙的测量方法，其中垂直定位的液晶的厚度通过下列步骤得到：
(a)在垂直定位的液晶的寻常折射率no和非寻常折射率ne的基础上，计算在垂直定位的液晶内部的非寻常倾斜光束的折射率nα；
(b)计算折射率nα和垂直定位的液晶内部的寻常光束的折射率no之间的差别Δn；
(c)双折射相位差R除以差别Δn，以便得到垂直定位的液晶内部的光程长度d1；以及
(d)考虑到在空气和垂直定位的液晶之间的界面上的光折射，把光程长度d1转换为单元间隙d0。
4.一种垂直定位的液晶板的单元间隙的测量装置，该垂直定位的液晶的光轴在垂直于液晶板表面的方向，该装置包含：
光源；
(1)从光源的光中抽出固定偏振成分的偏光镜；
(2)能够引导偏光镜的光的光轴设置装置，使得光倾斜入射到垂直定位的液晶板的光轴上；
(3)用于抽出穿过垂直定位的液晶板的光的特定偏振成分的分析器；
(4)测量分析器的透射强度的光接收器；以及
(5)在透射强度的基础上用于确定垂直定位的液晶板的双折射相位差R的数据处理器，以便通过双折射相位差R和垂直定位的液晶的寻常折射率no和非寻常折射率ne数据，得到垂直定位的液晶的厚度。
5.如权利要求4的垂直定位的液晶板的单元间隙的测量装置，其中光轴设置装置包含能够在光轴和垂直定位的液晶板之间变化角度的倾斜机构。
6.如权利要求5的垂直定位的液晶板的单元间隙的测量装置，其中倾斜机构变化光轴的倾斜。
7.如权利要求5的垂直定位的液晶板的单元间隙的测量装置，其中倾斜机构变化垂直定位的液晶板的倾斜。
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