CN1808090A - 相位延迟的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位延迟的测量装置及测量方法。该测量装置包括一单色光源部、一光检测部、一偏光板以及一极化分光部。该单色光源部发射一脉冲光源，该光检测部设置于该单色光源部的一侧，该偏光板设置于该单色光源部与该光检测部之间，该极化分光部设置于该偏光板与该光检测部之间。该测量方法透过设置一待测体于该偏光板以及极化分光部之间，利用该单色光源部所产生的一单色脉冲光源依序经由该偏光板产生一偏极光、该偏极光通过该待测体、进而产生一相位延迟光，该相位延迟光通过该极化分光部以及该光检测部，以测得一寻常光以及一非寻常光通过该待测体的时间差，经由解调后可以得到该待测体的相位延迟量。

Description

相位延迟的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种相位延迟的测量装置及测量方法，特别是一种利用偏光板、分光器的组合来测量双折射物质相位延迟的一种相位延迟的测量装置及测量方法。

背景技术

在传统的液晶显示器中，在液晶涂布的领域中，具有相当重要足以影响显示品质的参数，包括液晶分子的扭转角度(twist angle)以及相位延迟量(retardation)。

由于上述的参数，具有影响液晶显示品质的重要指针，因此投入相关研究或者专利也相当多，以下针对于现有技术进行说明：

(a)U.S6,633,358：揭露了一种于待测液晶前后各设置一偏光板，然后以一单色光源通过，藉由调整待测液晶旋转角度检测光通过该待测液晶至一检偏板的强度，然后经由方程式的运算而求得该待测液晶的扭转角度以及相位延迟量。

(b)U.S6,300,954：揭露了一种以测光器(photodetector)测量光通过液晶后，再经由可旋转特定角度的一偏光板以及四分之一波板的强度，然后藉由史托克参数(Stokes parameters)的计算，可以得知该液晶的厚度以及扭转角度。

(c)U.S5,825,452：揭露了一种利用光学计算机计算系统来测量相位延迟量。该方法为利用结合两道相位差90度的线性偏极光通过待测材料，而产生光学干涉调纹，利用不同材料具有不同种的条纹图案，经由计算机运算比对而求得相位延迟量。

(d)U.S5,400,131：揭露了一种利用单色光源通过一线性偏光板产生输入光源，通过待测体，再利用两次分析通过待测体的输出光，以该输出光通过一线性检偏板(analyzer)而形成代表该待测体应力分部的具有相对强度的条纹区域图(fringes map)，再利用计算机解析出该待测体的延迟参数。然而，上述已知技术在操作上并不方便，无法以简单以及快速的方式得到液晶的参数值。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种相位延迟的测量装置及测量方法，以测量相位延迟。

本发明的次要目的是提供一种相位延迟的测量装置及测量方法，利用偏光板以及极化分光部的组合，测量相位延迟，以达到简单、制造容易以及降低成本的效果。

本发明的另一目的是提供一种相位延迟的测量装置及测量方法，利用偏光板以及极化分光部的组合，测量相位延迟以达到测量快速以及准确的效果。

为了实现上述目的，本发明提供了一种相位延迟的测量装置，包括：一单色光源部、一光检测部、一偏光板以及一极化分光部。该单色光源部可发射一脉冲光源，该光检测部设置于该单色光源部的一侧，该偏光板设置于该单色光源部与该光检测部之间，该极化分光部设置于该偏光板与该光检测部之间。

为了达到上述目的，本发明提供了一种相位延迟的测量方法，包括以下步骤：

提供一测量相位延迟的装置，该装置包括一单色光源部、一光检测部、一偏光板以及一极化分光部，单色光源发射一脉冲光源，光检测部设置于单色光源部的一侧，偏光板设置于单色光源部与该光检测部之间，极化分光部设置于偏光板与光检测部之间；

将该待测体设置于偏光板与极化分光部之间；

单色光源部投射一脉冲光源至该偏光板，产生一偏极光；

偏极光投射至待测体，以产生一相位延迟光；

极化分光部将该相位延迟光分成一寻常光以及一非寻常光；

利用该光检测部检测该寻常光以及该非寻常光的脉冲部的一时间差；以及利用该时间差求得一相位延迟值。

为了便于了解本发明的特征、目的及功能，下面对本发明的装置的相关细部结构以及设计的原理进行说明。

附图说明

图1是光源通过具有双折射率的物质的光程示意图；

图2A是本发明的相位延迟测量装置较佳实施例组合示意图；

图2B以及图2C是脉冲光源实施示意图；

图2D是本发明的相位延迟测量装置另一较佳实施例组合示意图；

图3是本发明的相位延迟测量方法流程图；

图4是光电磁场分布示意图；

图5A是单色脉冲光源通过45度线性偏光板光电场分布示意图；

图5B是偏极光通过该待测体时相位延迟示意图；

图5C是相位延迟光通过极化分光部的分光示意图；

图5D是寻常光以及非寻常光时间差示意图。

附图标记说明：2相位延迟测量装置；21单色光源部；211脉冲激光；212光源斩光装置；2121单色连续光源；2122斩光器；22偏光板；23极化分光部；231分光器；232a、232b偏光板；24光检测部；3相位延迟测量方法流程；31～37步骤；50光源；51脉冲光源；52偏极光；521第一平面光；522第二平面光；53相位延迟光；54寻常光；55非寻常光；56相位差；6待测体；7液晶。

具体实施方式

首先，请参阅图1所示的光源通过具有双折射率的物质的光程示意图。以一光源50直射通过具有双折射率的一待测体6时(例如：液晶)，由于该待测体6的异向性(anisotropic)性质，该直射的光源50在该待测体6内会分成两道速率不一样的偏极化的光线而造成两种不同的折射率，其中不折射的光线为一寻常光54(ordinary ray)，速度快，另一道折射光为一非寻常光55(extraordinary ray)，速度慢。为了方便说明，该寻常光的折射率以n_o(ordinaryindex of fraction)表示，该非寻常光的折射率以n_e(extraordinary index of fraction)表示。

由于双折射的关系，寻常光以及非寻常光在该待测体中所行走的光程并不相同，因此该寻常光以及非寻常光彼此会有一个相位差，因而产生相位延迟(phase retardation)现象。而相位延迟的公式如下式所示：

$\mathrm{\Γ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_e-n_o)d---\left(1\right)$

其中，n_o为寻常折射率，n_e为非寻常折射率。λ为测光源波长，d为待测体的厚度。

为了能够正确的测量相位延迟的结果，将该(1)式的折射率n_e以及n_o以光速和光在介质中的速度转换成如下式的结果：

$\mathrm{\Γ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\frac{C}{\frac{V_e}{d}}-\frac{C}{\frac{V_o}{d}})---\left(2\right)$

其中C为光速，V_e为非寻常光的速度，V_o为寻常光的速度，由于速度和距离的比值为所需时间的导数，因此式(2)可转换为：

$\mathrm{\Γ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\frac{C}{\frac{1}{t_e}}-\frac{C}{\frac{1}{t_o}})---\left(3\right)$

将式(3)经由整理，可以得到下列结果：

$\mathrm{\Γ}=\frac{2\mathrm{\πC}}{\mathrm{\λ}}(t_e-t_o)=\frac{2\mathrm{\πC}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δt}---\left(4\right)$

通过上述公式(4)的推导，可以得到如果可以测量该寻常光以及该非寻常光在该待测体中行进所需的时间差，即可以通过公式(4)导出相位延迟的结果。

请参阅图2A所示所示的本发明的相位延迟测量装置较佳实施例组合示意图。为了实现测量相位延迟，该相位延迟测量装置2包括：一单色光源部21、一光检测部24、一偏光板22以及一极化分光部23。参阅图2B以及图2C所示的脉冲光源实施示意图。该单色光源部21可发射一脉冲光源51，该脉冲光源51可选择一脉冲激光211以及光源斩光装置212其中之一。该光源斩光装置212包括一单色连续光源2121以及一斩光器(chopper)2122，通过该斩光器2122的转动产生出脉冲光源51。再回到图2A，该光检测部24设置于该单色光源部21的一侧。该偏光板22设置于该单色光源部21与该光检测部24之间，该偏光板22可选择一特定角度线性偏光板、一圆极性偏光板以及一椭圆极性偏光板其中之一。该极化分光部23设置于该偏光板22与该光检测部24之间，在本实施例中该极化分光部23为一极化分光器(Polarizing beamsplitter，PBS)。请参阅图2D所示的本发明的相位延迟测量装置另一较佳实施例组合示意图。在本实施例中，该极化分光部23由一分光器231以及两偏光板232a、232b构成，其中该两偏光板232a、232b的偏极方向相互垂直。

为了更详细的说明本发明的精神，请参阅图2A以及图3，其中图3为本发明的相位延迟测量方法流程图。该流程包括下列步骤：

步骤31。提供一测量相位延迟的装置2，其包括一单色光源部21、一光检测部24、一偏光板22以及一极化分光部23，该单色光源部21可发射一脉冲光源，该光检测部24设置于单色光源部21的一侧，该偏光板22设置于该单色光源部21与该光检测部24之间，该极化分光部23设置于该偏光板22与该光检测部24之间；

步骤32，将一待测体设置于该偏光板22与该极化分光部23之间；

步骤33，该单色光源部21投射一脉冲光源至该偏光板22产生一偏极光；

步骤34，偏极光投射至该待测体产生一相位延迟光；

步骤35，以该极化分光部23将该相位延迟光分成一寻常光(ordinary ray)以及一非寻常光(extraordinary ray)；

步骤36，利用该光检测部24检测该寻常光以及该非寻常光的脉冲部的一时间差；

步骤37，利用该时间差求得一相位延迟值。

其中，该待测体为一液晶面板。如图2B以及图2C所示，该单色光源部21可选择一脉冲激光211以及光源斩光装置212，该光源斩光装置212包括一单色连续光源2121以及一斩光器2122。该偏光板22可选择一特定角度线性偏光板、一圆极性偏光板以及一椭圆极性偏光板其中之一。如图2D所示，该极化分光部可选择一极化分光器(polarizing beam splitter，PBS)以及一分光器231与二偏光板232a、232b的组合之一。

为了更详细了解上述的步骤，请继续参阅图4所示的光电磁场分布示意图。由于光是由相互垂直的电场以及磁场振动(fluctuating)所构成的电磁波，为了方便说明，以电场的部分来代表光的进行，这是因为在光中，由于磁场垂直于电场，因此磁场的分部基本上和电场是相同的。

请继续参阅图5A所示的单色脉冲光源通过45度线性偏光板光电场分布示意图。在本实施例中以一具有X、Y以及Z三轴的坐标空间来做说明，通常的状况下光波是在任何一个方向都有振动，所以在步骤33中，当该单色光源部21所提供的脉冲光源51(各个角度都有振动)，通过该45度偏光板22的时候，会形成一第一平面偏极光521以及一第二平面偏极光522，其中该第一平面偏极光521与该第二平面偏极光522垂直。

请继续参阅图5B所示的偏极光通过该待测体时相位延迟示意图。在本实施例中，以一液晶7为待测体。在步骤34中，当该偏极光通过该液晶7时，由于液晶分子的结构为异方性(Anisotropic)，因此该液晶有双折射的特性，所以当该偏极光52通过该液晶7的时候会形成该相位延迟光53，该相位延迟光53在XY平面的分量以及YZ平面的分量会有一相位差56。会产生该相位差56的原因是，寻常光以及非寻常光在该液晶7内的速度不同所造成的结果。

请参阅图5C所示的相位延迟光通过极化分光部的分光示意图。在说明步骤35之前，先解释说明该极化分光部23的原理，极化分光部23的特征在于可以使入射光分成一穿透光以及一反射光，当穿透光通过该极化分光部的出光面时，由于该出光面具有偏极化的效果，因此该穿透光会形成第一偏极光(S型)，同理该反射光也在通过该极化分光部的出光面时，也会形成第二偏极光(P型)。在了解了该极化分光部23的原理后，不难理解出该相位延迟光53也可利用上述原理而通过该极化分光部而被分成该寻常光54以及该非寻常光55。

请参阅图5D所示的寻常光以及非寻常光时间差示意图。在步骤36中，当该寻常光54以及该非寻常光55经由该光检测部的检测后，由于脉冲光源的关系，可以得到类似如图中所示的图形，其水平轴为时间轴，因此可以得的该寻常光以及该非寻常光在脉冲部的时间差Δt。在步骤37中，由于已经得到该时间差Δt因此可以利用式(4)计算得的该液晶的相位延迟量。

综上所述，本发明具有操作容易、制造简单以及装配容易的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，不能以此限制本发明范围。因此，凡依本发明权利要求所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施。

Claims (11)

1、一种相位延迟测量装置，包括：

一单色光源部，其发射一脉冲光源；

一光检测部，设置于该单色光源部的一侧；

一偏光板，设置于该单色光源部与该光检测部之间；

一极化分光部，设置于该偏光板与该光检测部之间。

2、如权利要求1所述的相位延迟测量装置，其中该单色光源部为一脉冲激光以及一光源斩光装置之一。

3、如权利要求1所述的相位延迟测量装置，其中该偏光板为一特定角度线性偏光板、一圆极性偏光板以及一椭圆极性偏光板之一。

4、如权利要求1所述的相位延迟测量装置，其中该极化分光部为一极化分光器。

5、如权利要求1所述的相位延迟测量装置，其中该极化分光部还包括一分光器以及至少两偏光板。

6、一种相位延迟测量方法，用于检测一待测体的相位延迟，该方法包括以下步骤：

提供一测量相位延迟的装置，该装置包括一单色光源部、一光检测部、一偏光板以及一极化分光部，单色光源发射一脉冲光源，光检测部设置于单色光源部的一侧，偏光板设置于单色光源部与该光检测部之间，极化分光部设置于偏光板与光检测部之间；

将该待测体设置于偏光板与极化分光部之间；

单色光源部投射一脉冲光源至该偏光板，产生一偏极光；

偏极光投射至待测体，以产生一相位延迟光；

极化分光部将该相位延迟光分成一寻常光以及一非寻常光；利用该光检测部检测该寻常光以及该非寻常光的脉冲部的一时间差；以及利用该时间差求得一相位延迟值。

7、如权利要求6所述的相位延迟测量方法，其中该待测体为一液晶面板。

8、如权利要求6所述的相位延迟测量方法，其中该单色光源部为一脉冲激光以及一光源斩光装置。

9、如权利要求6所述的相位延迟测量方法，其中该偏光板为一特定角度线性偏光板、一圆极性偏光板以及一椭圆极性偏光板之一。

10、如权利要求6所述的相位延迟测量方法，其中该极化分光部为一极化分光器。

11、如权利要求6所述的相位延迟测量方法，其中该极化分光部还包括有一分光器以及至少两偏光板。

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