CN1489684A - 测量液晶单元间隙的方法 - Google Patents

Abstract

定起偏振器(14)的偏振角为θ1，测量液晶单元(15)在正交尼科耳状态下的反射强度S1和参考反射强度Ref1。然后，设定不同的偏振角θ2，测量该液晶单元在正交尼科耳状态下的反射强度S2和参考反射强度Ref2。确定测量强度的比率S1/Ref1，S2/Ref2和比率S1·Ref2/S2·Ref1，为的是抵消参考反射强度Ref1，Ref2的背景分量，从而准确地测定单元的间隙值(图1)。

Description

测量液晶单元间隙的方法

技术领域

本发明涉及测量充满液晶的液晶单元间隙的方法。

有利用后照光从背面照射的透射型液晶单元和利用自然光的反射型液晶单元。本发明可应用于透射型液晶单元和反射型液晶单元。

背景技术

图8表示透射型液晶单元的结构，其中玻璃层31和32分别构成最上层和最底层，透明电极膜33和34分别形成在玻璃层31和32的内表面。此外，对准膜(未画出)形成在透明电极膜33和34的内表面，每个膜研磨成预定的角度。液晶15a密封在两个对准膜之间。在彩色液晶单元的情况下，彩色滤光片形成在上玻璃层31的内表面。

图9表示反射型液晶单元的结构。在与透射型液晶单元比较时，它与透射型液晶单元的差别是，反射金属膜35代替透明电极34形成在一侧。对准膜形成在反射金属膜35表面，它研磨成预定的角度。

假设d表示液晶单元中包含的液晶厚度(单元间隙)。

有一种测量液晶单元中单元间隙d的常规方法，光从没有注入液晶的单元上方射入到其中，测量光波的干涉以得到空气层的厚度，空气层厚度当作液晶单元的厚度(干涉度量学)。

然而，注入液晶之前的空气层厚度与注入液晶之后的液晶单元厚度在严格的意义上是不同的。因此，人们希望开发一种注入液晶之后直接测量单元厚度的方法。

另一种已知的方法是，利用液晶中有单轴晶体的双折射现象，光源中光的线偏振分量入射到充满液晶的液晶单元(以下称之为“样本”)，分别测量在正交尼科尔(Nicol)状态下和在平行尼科尔状态下的透射光强度。基于这两种强度，确定液晶的双折射相位差(称之为“延迟”，根据相位差得到单元间隙。(参考H.L.Ong，Appl.Phys.Lett.51(18)，2 November 1987，pp.1398-1400，etc.)

顺便一提，在上述的方法中，由于光入射到样本的一侧并测量已传输通过该样本的光，因此，光源和测量系统中光电检测器是在样本的相对两侧。由于这个原因，存在的问题是测量系统必须很大，不能制成小型测量系统。

此外，由于上述的方法测量传输通过样本的光，原则上，它不能应用于反射型液晶单元，因为反射型液晶单元不允许光传输通过。

所以，本发明的目的是提供一种测量液晶单元间隙的方法，它能够测量液晶单元的间隙并可应用于透射型液晶单元和反射型液晶单元，且测量系统是小型测量系统。

发明内容

(1)一种按照本发明测量液晶单元间隙的方法，包括以下步骤(a)-(e)：

(a)在正交尼科尔状态下测量反射强度S1的步骤，利用起偏振器从光源的光中选取偏振角为θ1的分量，并把该分量引入到作为样本制备的液晶单元，以及传输从液晶单元反射的光通过检偏振器；

(b)在卸去检偏振器的条件下测量参考反射强度Ref1的步骤，利用起偏振器从光源的光中选取偏振角为θ1的分量，并把该分量引入到参考单元中；

(c)在正交尼科尔状态下测量反射强度S2的步骤，利用起偏振器从光源的光中选取偏振角为θ2的分量，并把该分量引入到液晶单元，以及传输从液晶单元反射的光通过检偏振器；

(d)在卸去检偏振器的条件下测量参考反射强度Ref2的步骤，利用起偏振器从光源的光中选取偏振角为θ2的分量，并把该分量引入到参考抵消中；和

(e)计算测量强度之间比率S1·Ref2/S2·Ref1，并基于测量强度之间比率S1·Ref2/S2·Ref1，确定液晶单元间隙的步骤。

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，可以直接利用光电检测器实现反射强度的测量。另一方面，在多色光的情况下，通过分光计由光电检测器实现反射强度的测量。

由于参考单元的测量是在上述步骤(b)中卸去检偏振器的条件下实现的，参考反射强度Ref1包含背景分量。因此，如通常的情况那样，仅仅比较测量强度之间比率S1/Ref1与理论确定反射强度，很难得到单元间隙的准确值。

所以，本发明的构成是这样的，规定两种偏振角θ1和θ2，确定测量强度之间比率S1/Ref1，S2/Ref2，并计算比率S1·Ref2/S2·Ref1，从而抵消包含在参考反射强度中的背景分量。

通过这个过程，可以实现与理论确定反射强度之间比率有很好的一致，从而准确地测定单元间隙值。

(2)理论确定多个液晶单元在正交尼科尔状态下的反射强度，这些多个液晶单元有偏振角设定为θ1和θ2的不同单元间隙，和比较测量强度之间比率S1·Ref2/S2·Ref1与理论确定的反射强度之间比率(理论强度比率)，因此，对应于最接近理论强度比率的单元间隙值确定为液晶单元的间隙。

这个方法提出这样一个特定的过程，利用多个液晶单元，基于测量强度之间比率S1·Ref2/S2·Ref1确定液晶单元的间隙，其中比较比率S1·Ref2/S2·Ref1与理论确定的强度比率。

(3)在波谱形式下测量各个反射强度S1，Ref1，S2和Ref2以及在波谱形式下计算每个的理论强度，对应于提供最佳拟合曲线的理论强度比率的单元间隙值确定为液晶单元的间隙，可以更准确地测定单元的间隙值。

为了得到波谱，在光源的光入射到液晶单元之前，该光可以传输通过单色仪，或液晶单元反射的光可以传输通过分光计。

(4)最好是，作为样本制备的液晶单元用作参考单元。

在按照本发明的方法中，作为样本制备的液晶单元的偏振状态是预定的，根据该预定确定单元的间隙值。在卸去检偏振器之后，就没有关于液晶单元偏振状态的信息，而诸如吸收特性的样本光学特性其实包含在参考单元中，因此，这些光学特性的影响被抵消。所以，该液晶单元可以有利地被用作参考单元。

(5)液晶单元可以是反射型液晶单元或透射型液晶单元。在透射型液晶单元的情况下，测量从下表面反射的光。

(6)最好是，光以小的入射角ω1入射到液晶单元，并测量以反射角ω2从液晶单元反射的光。

当然，更好的是ω1＝ω2＝0度，但只要ω1＜10度和ω2＜10度，测量反射强度不存在任何的问题。

附图说明

图1表示液晶单元间隙测量系统的总体配置。

图2表示光入射到液晶15a上并从其下表面反射，然后向外射出的光程。

图3表示在卸去检偏振器之后测量参考单元的液晶单元间隙测量系统的总体配置。

图4是在反射模式下和透射模式下测得的液晶单元间隙d的曲线图。

图5表示实际测得的反射强度谱R0(λi)和R45(λi)曲线图，其中每个强度谱作为波长的函数，强度反射比的理论值EE^*0(λ)和EE^*45(λ)叠加在这些曲线上。

图6是两个强度反射比EE^*0(λ)与EE^*45(λ)之间比率Ctheo(λ)的计算结果曲线，和两个测得的反射强度谱R0(λi)与R45(λi)之间比率C(λi)的曲线。

图7表示液晶单元间隙测量系统的总体配置，其中光入射到液晶单元15上的入射角和光从液晶单元15反射的反射角都安排成零度。

图8表示透射型液晶单元的结构。

图9表示反射型液晶单元的结构。

具体实施方式

1.液晶单元间隙测量系统

图1表示液晶单元间隙测量系统的总体配置。

该测量系统包括：光源11，例如，卤素灯；输入光纤13，用于引导光源11的光；透镜12，用于准直来自输入光纤13的光线；起偏振器14，光线在其中被线偏振；作为样本制备的液晶单元15；检偏振器16，用于从液晶单元15的反射光线中选取线偏振光线；透镜20，用于会聚已传输通过检偏振器16的光线；输出光纤17，用于引导会聚光；分光计18，以及其中包含计算机的数据处理设备19。

光入射到液晶单元15上的入射角ω1和从液晶单元15反射的反射角ω2都是固定的。通常，ω1＝ω2(在全反射的条件下)。最好是，ω1和ω2是在10度以内，在这个实施例中，这两个角度值都设定为6度。

液晶单元15可以是反射型液晶单元或透射型液晶单元。即使在透射型液晶单元的情况下，测量从液晶15a下表面反射的光线。

提供上述的起偏振器14使它在电动机(未画出)驱动下转动到所需的角度。提供上述的检偏振器16使它在电动机(未画出)驱动下转动到所需的角度，且可以自动地安装和拆卸。假设起偏振器14的旋转角用θ表示，而检偏振器16的旋转角用γ表示。由于本发明中这两个角度是用在正交尼科尔状态下，它们之间满足以下的关系式：

θ＝γ±90度。

假设液晶15a的扭转角是φ，则非常折射率ne与寻常折射率no之间的差值Δn可以表示成以下的关系式(其中ABS代表绝对值)，和延迟为Δnd。

 n＝ABS(ne-no)                    (1)

图2表示光入射到液晶15a上并从其下表面反射，然后向外射出的光程。在本发明中，假设液晶单元15包含叠层在一起的两个透射型单元。

光在传输通过向内路径时，它经受的扭转角φ和延迟Δnd。

若i表示虚数单位和λ表示光波长，则这种现象可以用以下的Jones矩阵J表示：

$J(\mathrm{\φ},\mathrm{\Δnd},\mathrm{\λ})=\left[\begin{array}{cc}p+i\·q& r+i\·s\\ -r+i\·s& p-i\·q\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中

$p=\cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\β}1+\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\β}/\sqrt{1+{\mathrm{\α}}^2}$

$q=\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\β}\·\mathrm{\α}/\sqrt{1+{\mathrm{\α}}^2}$

$r=-\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\β}+\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\β}/\sqrt{1+{\mathrm{\α}}^2}$

$s=\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\β}\·\mathrm{\α}/\sqrt{1+{\mathrm{\α}}^2}$

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π\Δnd}/\mathrm{\λ\φ}$

$\mathrm{\β}=\mathrm{\φ}\sqrt{1+{\mathrm{\α}}^2}$

此外，光在传输通过向外路径时，它经受的扭转角-φ和延迟Δnd。表示这种现象的Jones矩阵J是与公式(2)相同，而扭转角φ取负值。

起偏振器的Jones矩阵和检偏振器的Jones矩阵表示成以下的式子：

按照以下的关系式描述反射光E的偏振状态：

E＝检偏振器(Y)·旋光器(φ)·向外路径J(-φ，Δnd)·

旋光器(-φ)·向内路径J(φ，Δnd)·起偏振器(θ)

其中旋光器(φ)和旋光器(-φ)是抵消光在液晶15a中经受扭转的两个算符。旋光器(中)的Jones矩阵是如下表示：

通过计算EE^*，在理论上可以得到强度反射比。星号“^*”表示取复共轭。

2.强度反射比的模拟

在两个或多个波长下，测得的目标液晶的折射率之差Δn和扭转角φ数据输入到数据处理设备19。起偏振器14的旋转角(θ)，检偏振器16的旋转角(γ)设置成以下的两种方式：

(a)θ＝0度，γ＝-90度

(b)θ＝-45度，γ＝-135度。

设定液晶单元间隙d为多个数值，在(a)和(b)每种方式下，计算强度反射比EE^*作为波长λ的函数。这些强度反射比分别表示为EE^*0(λ)和EE^*45(λ)。然后，计算两个强度反射比EE^*0(λ)与EE^*45(λ)之间的比率C theo(λ)：

C theo(λ)＝EE^*0(λ)/EE^*45(λ)

比率C theo(λ)画成液晶单元间隙d作为参数的一组曲线。

3.测量强度反射比的方法

3.1.参考单元的测量

由于存在诸如测量系统各种特性(光源的发射特性，光学系统的透射比，光电检测器的灵敏度，及其波长特性和随时间变化的特性)的影响，以及除了光在液晶层中向内和向外传输时反射以外光从各层反射(称之为“背景分量”)的影响，需要某些标准化处理操作。

一般地说，这种标准化处理操作是通过测量参考单元的反射强度并把测得的样本反射强度除以参考单元反射强度完成的。

在本发明中，参考单元测量装置有这样的结构，液晶单元15的设置与样本测量装置中的相同，但卸去检偏振器16。

图3表示参考单元的测量方式。

利用这种结构，参考单元测量中的光包含测量系统的各种特性信息，根据以下描述的测量样本的结果，可以消除这些信息。

然而，与安装了检偏振器16的情况相反，由于卸去检偏振器16，在这种情况中包含背景分量。以下用符号Ref_b表示这个背景分量。

利用下标s和b，参考单元测量中光Ref表示成包含测量系统各种特性信息的分量Ref_s与背景分量Ref_b之和，如以下所示：

Ref_s+Ref_b

在以下两种方式(a)和(b)下，设定起偏振器14的转角θ，在多个波长λi下(其中i＝1，2，3，...，n；n是2或大于2的整数)，测量用作参考单元的液晶单元15的反射强度Ref0和Ref45。

(a)θ＝0度

(b)θ＝-45度

利用下标s和b，反射强度Ref0和Ref45可以分别表示成以下的关系式：

Ref0(λi)＝Ref0_s(λi)+Ref0_b(λi)       (6)

Ref45(λi)＝Ref45_s(λi)+Ref45_b(λi)    (7)

3.2.样本的测量

利用作为样本放置的液晶单元15和安装的检偏振器16，在以下两种方式(a)和(b)下，设定起偏振器14的转角θ和检偏振器16的转角γ，在上述的波长λi下测量液晶单元15的反射强度S0，S45。

(a)θ＝0度，γ＝-90度

(b)θ＝-45度，γ＝-135度

然后，把测得的反射强度S0(λi)和S45(λi)分别除以参考反射强度Ref0(λi)和Ref45(λi)。从该除法得到的值分别写成R0(λi)，R45(λi)。R0(λi)和R45(λi)表示成如下关系式：

R0(λi)＝S0(λi)/Ref0(λi)

           ＝S0(λi)/(Ref0_s(λi)+Ref0_b(λi))    (8)

R45(λi)＝S45(λi)/Ref45(λi)

            ＝S45(λi)/(Ref45_s(λi)+Ref45_b(λi))    (9)

然后，取R0(λi)与R45(λi)之间比率C(λi)：

C(λi)＝R0(λi)/R45(λi)

        ＝[S0(λi)/S45(λi)]×[(Ref45_s(λi)+Ref45_b(λi))/

          (Ref0_s(λi)+Ref0_b(λi))]             (10)

在比率C(λi)右侧的第二个方括号[]中，背景分量Ref45_b(λi)和背景分量Ref0_b(λi)分别在分子和分母中。若角度ω很小，例如，ω1＜10度和ω2＜10度，则可以假设Ref45_s(λi)与Ref45_b(λi)之间比率和Ref0_s(λi)与Ref0_b(λi)之间比率是相同的，所以，第二个方括号[]内可以用Ref45_s(λi)/Ref0_s(λi)代替。

因此，把S0(λi)除以Ref0_s(λi)和S45(λi)除以Ref45_s(λi)，比率C(λi)提供已消除背景分量的样本反射强度之间的真正比率。

4.单元间隙的确定

把实际测量液晶单元15得到的比率C(λi)曲线与强度反射比模拟得到的比率C theo(λ)曲线(这些曲线包括利用液晶单元间隙d作为参数的多条曲线)进行拟合，确定最佳拟合的单元间隙d。关于该拟合方法，可以利用已知的方法，例如，非线性最小二乘方法。

5.例子

基准角设定为0度，并规定顺时钟方向为正(+)角度。利用按照本发明的液晶单元间隙测量系统，测量扭转的丝状透射型液晶单元的反射强度(反射模式)。在五个位置进行这种测量。

透射型液晶单元表面的研磨方向设定为-60度，从该表面到单元底部的扭转角为-240度。

非常折射率ne和寻常折射率no的值都是已知的，它们列出在表1中。折射率是波长的函数。实际上，我们仅知道有限几个波长的折射率。利用柯西(Cauchy)公式内插其他波长的折射率。

以下描述柯西公式。在仅有一种波长折射率数据的情况下，该折射率看成是固定值。在有两种波长折射率数据的情况下，利用波长的二次函数进行内插。在有三种波长折射率数据的情况下，利用波长的四次函数进行内插。

[表1]

波长	450nm	550nm	650nm
				Ne	1.6293	1.6276	1.6272
No	1.4849	1.4947	1.4997

在以下(a)和(b)的两种方式下，设定起偏振器14的转角θ和检偏振器16的转角γ。

(a)θ＝0度，γ＝-90度

(b)θ＝-45度，γ＝-135度。

然后，测量反射强度谱R0(λi)和R45(λi)，并计算比率C(λi)。  (见以上的公式(8)-(10)。)

与此同时，在相同的条件下，计算透射型液晶单元的强度反射比EE^*作为波长λ的函数。然后，计算(a)和(b)两种情况下得到的两个强度反射比之间的比率C theo(λ)。

在5个点1-5比较实际测量值的比率C(λ)与计算的比率C theo(λ)，给出在这5个点1-5的液晶单元间隙d。

其次，利用常规的透射型光学系统，使透射型液晶单元处于正交尼科尔状态下和平行尼科尔状态下，在相同的5个点1-5测量透射光(波长为550nm)的强度。基于这两个强度之间的比率，确定延迟Δnd，把它除以波长550nm下的折射率差Δn，从而得到液晶单元的间隙d。

在表2中列出这5个点在反射模式下和透射模式下得到的液晶单元间隙d。

[表2]

	透射模式	反射模式
			点1	6.275	6.269
点2	6.292	6.294
			点3	6.331	6.321
点4	6.353	6.341
			点5	6.424	6.406

单位：μm

图4表示在反射模式和透射模式下测量液晶单元间隙d得到的结果曲线图。根据这个曲线图，显而易见，两种模式下得到的液晶单元间隙d具有很高的相关性。在截距为零时的相关系数R²是0.9802。

其次，如图5所示，把实际测得第5点的反射强度谱R0(λi)与R45(λi)画成作为波长函数的曲线，在(a)和(b)两个设定角度下，画出和重叠地显示强度反射比理论值EE^*0(λ)和EE^*45(λ)的曲线图。

曲线A：测得的反射强度谱R0(λi)。

曲线B：测得的反射强度谱R45(λi)。

曲线C：强度反射比的理论值EE^*0(λ)。

曲线D：强度反射比的理论值EE^*45(λ)。

从图5中可以看出，测得的反射强度谱R0(λi)(曲线A)不能看成是对应于理论值EE^*0(λ)(曲线C)。测得的反射强度谱R45(λi)(曲线B)也不能看成是对应于理论值EE^*45(λ)(曲线D)。

其次，计算两个强度反射比EE^*0(λ)与EE^*45(λ)之间的比率C theo(λ)，并把它与实际测得的反射强度谱R0(λi)与R45(λi)之间的比率C(λi)画在同一个曲线图上，如图6所示。

曲线E：C theo(λ)。

曲线F：C(λi)。

从图6中可以看出，两条曲线E和F非常精确地互相一致。顺便一提，出现在波长550nm周围的小尖峰可以看成是噪声，因为反射强度谱约为0％的比率是在尖峰出现处计算的。

6.修改的例子

与此同时，本发明的实施不限于以上的实施例。在以前的描述中，起偏振器14的转角(θ)和检偏振器16的转角(γ)设定为以下的(a)和(b)两种方式：

(a)θ＝0度，γ＝-90度

(b)θ＝-45度，γ＝-135度。

然而，这两个角度可以不同于以上列出的两个角度。例如，以上的(b)可以用以下的(b′)代替：

(b′)θ＝-30度，γ＝-120度。

此外，虽然在以上的液晶单元间隙测量系统中采用光源11和分光计18作为得到波谱的装置，代替这种组合，也可以利用光源11和单色仪12。

在图1和图3所示的结构中，光入射到液晶单元15的入射角ω1和光从液晶单元15反射的反射角ω2设定为非零的有限值。然而，可以设定ω1和ω2都为0度。

图7表示液晶单元间隙测量系统的配置，其中ω1和ω2设定为0度。

从透镜12射出的平行光线通过起偏振器14和半反射镜21(非偏振光分束器)进入液晶单元15，使它垂直入射到液晶单元15。

从液晶单元15反射的光线传输通过半反射镜21，使它射向检偏振器16和透镜20。

借助于支架件22固定上述的起偏振器14，半反射镜21和检偏振器16，并适合围绕垂直于制备液晶单元15表面的轴作整体转动。顺便一提，起偏振器14的偏振角固定在水平方向(垂直于纸面)，而检偏振器16的偏振角固定在水平方向(平行于纸面)。检偏振器是可拆卸的。

利用这种结构，光入射到液晶单元15的入射角和光从液晶单元15反射的反射角都可以保持为0度。

Claims (9)

1.一种测量液晶单元间隙的方法，包括以下步骤：

(a)在正交尼科尔状态下测量反射强度S1的步骤，利用起偏振器从光源的光中选取偏振角为θ1的分量，并把该分量引入到作为样本制备的液晶单元，以及传输从液晶单元反射的光通过检偏振器；

(b)在卸去检偏振器的条件下测量参考反射强度Ref1的步骤，利用起偏振器从光源的光中选取偏振角为θ1的分量，并把该分量引入到参考单元中；

(c)在正交尼科尔状态下测量反射强度S2的步骤，利用起偏振器从光源的光中选取偏振角为θ2的分量，并把该分量引入到液晶单元，以及传输从液晶单元反射的光通过检偏振器；

(d)在卸去检偏振器的条件下测量参考反射强度Ref2的步骤，利用起偏振器从光源的光中选取偏振角为θ2的分量，并把该分量引入到参考单元中；和

(e)计算测量强度之间比率S1·Ref2/S2·Ref1并基于测量强度之间比率S1·Ref2/S2·Ref1，确定液晶单元间隙的步骤。

2.按照权利要求1的测量液晶单元间隙的方法，其中

理论确定多个液晶单元在交尼科尔状态下的反射强度，这些多个液晶单元有偏振角设定为θ1和θ2的不同单元间隙；和

比较测量强度之间比率S1·Ref2/S2·Ref1与理论确定的反射强度之间比率，对应于最接近理论强度比率的单元间隙值确定为液晶单元的间隙。

3.按照权利要求2的测量液晶单元间隙的方法，其中

在波谱形式下测量各个反射强度S1，Ref1，S2和Ref2以及在波谱形式下计算每个的理论强度，对应于提供最佳拟合曲线的理论强度比率的单元间隙值确定为液晶单元的间隙。

4.按照权利要求1的测量液晶单元间隙的方法，其中作为样本制备的测量液晶单元用作参考单元。

5.按照权利要求1的测量液晶单元间隙的方法，其中液晶单元是反射型液晶单元。

6.按照权利要求1的测量液晶单元间隙的方法，其中液晶单元是透射型液晶单元。

7.按照权利要求1的测量液晶单元间隙的方法，其中光以角度ω1入射到作为样本制备的液晶单元上，并测量以反射角ω2从该液晶单元反射的光。

8.按照权利要求7的测量液晶单元间隙的方法，其中ω1＜10度和ω2＜10度。

9.按照权利要求7的测量液晶单元间隙的方法，其中ω1＝0度和ω2＝0度。

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