JP3023443B2 - 液晶セルパラメータ検出方法 - Google Patents
液晶セルパラメータ検出方法Info
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Description
いられる液晶セルのパラメータ、特に液晶層の厚みや液
晶分子の配向の捩れの角度を検出する方法に関する。
晶分子が2枚の基板面に対し平行に配向しているが、そ
の配向方向が両基板間で徐々に捩れ、丁度90度捩れた
ツイステッドネマティック液晶セル(以下、「TNセ
ル」という)や、180度から270度程度捩れている
スーパーツイステッドネマティック液晶セル(以下、
「STNセル」という)等があり、ワードプロセッサや
パーソナルコンピュータのディスプレイ等の各種の液晶
表示装置に広く使われている。このようなTNセルやS
TNセルにおいては、表示の品質は2枚の基板間の距
離、すなわち液晶層の厚み及び液晶分子の配向の捩れの
角度に強く依存する。また、液晶セルの重要なパラメ−
タの一つであるアンカリングエネルギ−(液晶セル基板
面における方位角方向の配向規制力)は、2枚の基板間
における液晶分子の配向の捩れの角度の変化から求める
ことができる。したがって、液晶セルを製造する際に
は、液晶層の厚み及び液晶分子の配列の捩れの角度を迅
速且つ正確に検出することがきわめて重要である。
は、液晶セルの静電容量や光学的位相差を測定すること
によって液晶層の厚みを検出する方法、液晶を封入する
前の空セルの状態で光干渉や静電容量を測定することに
よって液晶層の厚みを検出する方法、3次元形状測定法
を用いて2枚の基板の間隔を測定することによって液晶
層の厚みを検出する方法等が知られている。また、液晶
分子の配向の捩れの角度を検出する方法としては、2枚
の偏光板の間に液晶セルを配置し、光弾性変調素子によ
り光路差を調節して透過光強度特性のカ−ブフィッティ
ングを行うことによって液晶分子の配向の捩れの角度を
検出する方法等が知られている。また、2枚の偏光板の
間に液晶セルを配置し、液晶セル及び偏光板のいずれか
もしくはその両方を回転させて透過光強度が最大もしく
は最小となる角度を求め、ジョーンズマトリクス表示を
用いて液晶層の厚み及び液晶分子の配向の捩れの角度を
求める方法等が知られている。これらは、「J.App
l.Phys.」(Vol.69,頁1304)、「J
pn.J.Appl.Phys.」(Vol.33,頁
L434−L436)、「Jpn.J.Appl.Ph
ys.」(Vol.33,頁L1242−L124
4)、「Jpn.J.Appl.Phys.」(Vo
l.35,頁4434−4437)、「第22回液晶討
論会講演予稿集」(頁139−140)等に記載されて
いる。
来の方法は、液晶セルの静電容量や光学的位相差を測定
するものであるため液晶層の厚みを正確に検出すること
が難しい、光弾性変調素子や位相補償素子等の光路差変
調素子を必要とするため装置が複雑、高価となる、透過
光強度特性のカ−ブフィッィングを行いあるいは偏光板
や液晶セルを回転させて透過光強度が最大もしくは最小
となる角度を測定するものであるため装置が複雑、高価
であり、誤差が発生し易く、測定に長時間を要する等の
問題点があった。本発明者は、前記問題点を解決するた
めに種々の検討を行った結果、液晶層の厚みや液晶分子
の配向の角度等はスト−クスパラメ−タに基づいて求め
ることができること、スト−クスパラメ−タは簡単な構
成で、短時間に精度よく測定することができることを見
いだした。そこで、本発明は、簡単な構成で、短時間に
精度よく液晶セルにおける液晶層の厚みや液晶分子の配
向の捩れの角度等の液晶セルパラメ−タを検出すること
ができる液晶セルパラメータ検出方法を提供することを
課題とする。
に、請求項1に記載の発明は、2枚の基板間に液晶を挟
み込んだ液晶セルのストークスパラメータを求め、スト
ークスパラメータに基づいて液晶層の厚み及び基板間の
液晶分子の配向の捻れの角度の少なくとも一方を求める
ことを特徴とする液晶セルパラメータ検出方法である。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の液晶
セルパラメータ検出方法であって、光源、偏光方向がY
軸方向に設定された偏光子、液晶セル、検光子、光検出
器をZ軸に沿って配置した状態で、検光子の偏光方向を
X軸方向に設定した時の光検出器の出力Ixを測定し、
検光子の偏光方向をY軸方向に設定した時の光検出器の
出力Iyを測定し、検光子の偏光方向をX軸及びY軸に
対して45度に設定した時の光検出器の出力I45を測定
し、これらの測定値Ix、Iy、I45を用いて液晶セル
のストークスパラメータを求めることを特徴とする液晶
セルパラメータ検出方法である。また、請求項3に記載
の発明は、請求項1に記載の液晶セルパラメータ検出方
法であって、光源、偏光方向がY軸方向に設定された偏
光子、液晶セル、検光子、光検出器をZ軸に沿って配置
した状態で、検光子の偏光方向をX軸方向に設定した時
の光検出器の出力Ixを測定し、検光子の偏光方向をY
軸方向に設定した時の光検出器の出力Iyを測定し、検
光子の偏光方向をX軸及びY軸に対して45度に設定し
た時の光検出器の出力I45を測定し、検光子の偏光方向
をX軸方向及びY軸方向に対して45度に設定するとと
もに、液晶セルと検光子との間に、軸方向を検光子の偏
光方向に対して45度傾けて1/4波長板を配置した時
の光検出器の出力Iq45を測定し、これらの測定値I
x、Iy、I45、Iq45を用いて液晶セルのストークス
パラメータを求めることを特徴とする液晶セルパラメー
タ検出方法である。前記請求項1〜請求項3に記載の液
晶セルパラメータ検出方法を用いれば、簡単な構成で短
時間に精度よく液晶セルにおける液晶層の厚みや液晶分
子の配向の捻れの角度を検出することができる。
−タ検出方法の実施の形態を図面を用いて説明する。図
1は、本発明の液晶セルパラメ−タ検出方法を実施する
ための液晶セルパラメ−タ検出装置の一実施の形態の概
略構成図である。図1において、1は光源であり、例え
ば、波長が632.8nmのHe−Neレ−ザが用いら
れる。光源1からの光はZ軸に沿って照射される。2
は、偏光板(偏光子)であり、偏光方向がY軸方向に設
定されている。3は、TNセル、STNセル等の液晶セ
ルである。4は、偏光板(検光子)であり、偏光方向を
X軸方向、Y軸方向、X軸及びY軸と45度の角度に設
定可能に設けられている。5は、1/4波長板であり、
その軸方向を偏光板4の偏光方向に対して45度傾けて
液晶セル3と偏光板4との間に挿入可能に設けられてい
る。6は、フォトダイオ−ド等の光検出器であり、偏光
板4を通過した光の強度を測定し、透過光強度信号を出
力する。7は、デ−タ処理用のパ−ソナルコンピュ−タ
等の処理装置であり、光検出器6から出力される透過光
強度信号に基づいて液晶セル3におけるスト−クスパラ
メ−タ、さらに液晶層の厚みや液晶分子の配向の捩れの
角度等を演算する。
法の基本原理を説明する。ここで、図2に示すような座
標系をとる。図2に示す座標系において、入射側の偏光
板2の偏光方向はY軸方向とする。そして、液晶セル3
の光入射側の液晶のダイレクタとX軸とのなす角度を
α、液晶セル3における液晶分子の配向の捩れの角度を
φとする。したがって、液晶セル3の出射側の液晶のダ
イレクタは角度φだけ捩れていることになる。また、入
射光は、Z軸(XY平面に垂直)に入射されるものとす
る。
となるように液晶セル3を配置すると、液晶セル3の偏
光作用を示すジョーンズマトリクスは(1)式のように
表される。
たもの)を表す。(1)式において、a、bは、
をもつ光(異常光)に対する屈折率、no は液晶分子の
長軸に垂直な偏波面をもつ光(常光)に対する屈折率、
λは光源1から照射される光の波長、θs はプレティル
ト角(液晶分子が基板から傾いている角度)、dは液晶
層の厚みである。(1)式における位相因子exp[j
(πd/λ)(ne ' +no )]は、この場合には重要
でないので、以下では省略する。
及びY軸方向の電界(偏光)成分Ex 及びEy は(4)式
のようなマトリクスで表される。
(6)式のように表される。
方向及びY軸方向の電界成分Ex 及びEy は(7)式の
ように表される。
態を示すストークスパラメータS0、S1、S2、S3
は(8)式のように表される。
してはS02 =S12+S22 +S32 となる。スト−
クスパラメ−タS0〜S3は、図3に示すようにポアン
カレ球の球面上の位置Pを表す。したがって、ポアンカ
レ球の球面上の位置によって偏光状態がわかる。
は(8)式に示されているようにa1、a2、b1、b
2、光入射側の液晶のダイレクタとX軸とのなす角度α
の関数であり、また、a1、a2、b1、b2は(6)
式に示されているように捩れの角度φ、u(すなわち液
晶層の厚みd)の関数である。しかしながら、基本的に
はスト−クスパラメ−タS1、S2、S3の内の2組が
独立したパラメ−タである。したがって、αが既知の場
合には、ストークスパラメータS1、S2、S3の中の
2組の値を求めることによって捩れの角度φ、u(すな
わち液晶層の厚みd)を求めることができる。スト−ク
スパラメ−タとα、φ、dの関係を図4に示す。図4
は、液晶としてK15を用い、波長が632.8nmの
光を照射し、液晶層の厚みを10μmとし、αをそれぞ
れ0度、30度、60度とした場合に、φを40度から
90度の間で変化させた時のストークスパラメータS
1、S2の変化状態を示したものである。なお、図4に
示すように、αの値によってスト−クスパラメ−タS
1、S2と捩れの角度φとの関係が変化するので、αの
値を選択することによってスト−クスパラメ−タの検出
誤差による捩れの角度φの検出精度への影響を少なくす
ることができる。
出装置を用いて捩れの角度φ及び液晶層の厚みdを求め
るためのスト−クスパラメ−タを測定する方法を説明す
る。まず、液晶セル3と光検出器6の間に配置した偏光
板4の偏光方向をX軸方向とし、その時の光検出器6の
出力Ix を測定する。次に、偏光板4の偏光方向をY軸
方向とし、その時の光検出器6の出力Iy を測定する。
次に、偏光板4の偏光方向をX軸及びY軸と45度の角
度をなすようにし、その時の光検出器6の出力I45を測
定する。次に、偏光板4の偏光方向をX軸及びY軸と4
5度の角度をなすようにした状態で、偏光板4と液晶セ
ル3との間に1/4波長板5をその軸方向を偏光板4の
偏光方向に対して45度傾けて(すなわちY軸方向に向
けて)配置し、その時の光検出器6の出力Iq45 を測定
する。これらの測定値Ix 、Iy 、I45及びIq45 を用
いてスト−クスパラメ−タを表すと、(9)式のような
る。
た、(9)式に示すスト−クスパラメ−タは(Ix +I
y )で正規化を行っている。
q45 を測定すれば、(9)式に基づいてスト−クスパラ
メ−タS1、S2、S3を求めることができ、さらに
(8)式、(6)式等に基づいて捩れの角度φ及びu
(すなわち液晶層の厚みd)を求めることができる。こ
こで、スト−クスパラメ−タS1、S2の2組を測定す
る場合には、Iq45の測定は省略することができる。こ
の場合には、1/4波長板5が不要となるので、測定装
置の構成がより簡単になる。以上では、αが既知の場合
について説明したが、αが未知の場合であっても、例え
ば、偏光板2あるいは液晶セル3を回転させて異なるα
に対応するIx 、Iy 、I45及びIq45 を測定すること
によりαの値を求めることができる。また、他の方法で
αの値を求めるようにしてもよい。
ータの性質からS12 +S22 +S32 =1となるの
で、測定誤差を少なくするためにこの関係を使用するこ
とができる。すなわち、測定値Ix 、Iy 、I45、Iq
45 等に測定誤差がある場合にはS1 2 +S22 +S3
2 =1とならなくなるが、測定値から求めたスト−クス
パラメ−タに応じたポアンカレ球の位置に最も近いポア
ンカレ球の球面上の位置を判断し、その位置のスト−ク
スパラメ−タを用いる。これにより、測定誤差を少なく
することができる。
液晶層の厚み及び液晶分子の配向の捩れの角度を検出し
た場合のデ−タを図5の図表に示す。 (試料1)透明導電膜を付けたガラス基板に配向膜とし
てポリビニルアルコール(PVA)膜をスピンコート法
により塗布し、加熱処理を行った後一方向に摩擦(ラビ
ング)することで液晶分子の配向処理を行い、2枚の基
板をガラスファイバスペ−サを介して重ね合わせ、ネマ
ティック液晶E7を封入したもので、液晶層の厚みを2
5μm、捩れの角度を30度に設定した液晶セル。この
試料1について図1に示した測定装置でスト−クスパラ
メ−タを測定したところ、S1=0.696、S2=
0.634、S3=0.331という値が得られた。そ
して、測定したスト−クスパラメ−タに基づいて本発明
の方法で液晶層の厚みd及び液晶分子の配向の捩れの角
度φを求めたところ、d=25.32μm、φ=29.
79度という値が得られた。 (試料2)ネマティック液晶E7を用い、液晶層の厚み
が25μm、捩れの角度が85度に設定した液晶セル。
試料2については、S1=−0.158、S2=−0.
873、S3=0.460という値が得られ、そして、
d=24.85μm、φ=85.97度という値が得ら
れた, (試料3)ネマティック液晶K15を用い、液晶層の厚
みが5μm、捩れの角度が30度に設定した液晶セル。
試料3については、S1=0.265、S2=0.53
4、S3=−0.807という値が得られ、そして、d
=4.87μm、φ=83.85度という値が得られ
た。
及び液晶分子の配向の捩れの角度をスト−クスパラメ−
タに基づいて検出するようにしたので、測定装置の構成
が簡単となり、また短時間に測定することができる。す
なわち、図1に示す偏光板4を偏光方向が0度、45度
および90度となるように回転させ、また、1/4波長
板5を挿入する操作のみでよいため、高価な素子や、複
雑な制御装置等が不要であり、測定時間も短くてすむ。
さらに、各時点の光の強度を測定するだけでよいので、
静電容量や光学的位相差等を測定する場合に比して測定
精度が高い。
置を用いてスト−クスパラメ−タを測定するようにした
が、スト−クスパラメ−タを測定する測定装置はこれに
限定されず、種々の測定装置を用いることができる。
3に記載の液晶セルパラメータ検出方法を用いれば、簡
単な構成で、短時間に精度よく液晶層の厚みや液晶分子
の配向の捻れの角度等の液晶セルパラメータを検出する
ことができる。
るための液晶セルパラメ−タ検出装置の一実施の形態の
構成図である。
レクタの方向)及び液晶分子の配向の捩れの角度を示す
図である。
分子の配向の捩れの角度等との関係を示す図である。
メ−タ検出方法を用いて液晶セルパラメ−タを検出した
場合のデ−タを示す図表である。
Claims (3)
- 【請求項1】 2枚の基板間に液晶を挟み込んだ液晶セ
ルのストークスパラメータを求め、ストークスパラメー
タに基づいて液晶層の厚み及び基板間の液晶分子の配向
の捻れの角度の少なくとも一方を求めることを特徴とす
る液晶セルパラメータ検出方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の液晶セルパラメータ検
出方法であって、光源、偏光方向がY軸方向に設定され
た偏光子、液晶セル、検光子、光検出器をZ軸に沿って
配置した状態で、検光子の偏光方向をX軸方向に設定し
た時の光検出器の出力Ixを測定し、検光子の偏光方向
をY軸方向に設定した時の光検出器の出力Iyを測定
し、検光子の偏光方向をX軸及びY軸に対して45度に
設定した時の光検出器の出力I45を測定し、これらの測
定値Ix、Iy、I45を用いて液晶セルのストークスパ
ラメータを求めることを特徴とする液晶セルパラメータ
検出方法。 - 【請求項3】 請求項1に記載の液晶セルパラメータ検
出方法であって、光源、偏光方向がY軸方向に設定され
た偏光子、液晶セル、検光子、光検出器をZ軸に沿って
配置した状態で、検光子の偏光方向をX軸方向に設定し
た時の光検出器の出力Ixを測定し、検光子の偏光方向
をY軸方向に設定した時の光検出器の出力Iyを測定
し、検光子の偏光方向をX軸及びY軸に対して45度に
設定した時の光検出器の出力I45を測定し、検光子の偏
光方向をX軸方向及びY軸方向に対して45度に設定す
るとともに、液晶セルと検光子との間に、軸方向を検光
子の偏光方向に対して45度傾けて1/4波長板を配置
した時の光検出器の出力Iq45を測定し、これらの測定
値Ix、Iy、I45、Iq45を用いて液晶セルのストー
クスパラメータを求めることを特徴とする液晶セルパラ
メータ検出方法。
Priority Applications (2)
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