KR20060076177A - 위상지연을 측정하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위상 지연을 측정하는 장치와 방법에 관한 것이다. 본 발명은 펄스 광선을 방사시킬 수 있는 단색 광원; 상기 단색 광원의 일면에 위치하는 광검출기; 상기 단색 광원과 상기 광검출기 사이에 위치하는 편광기; 및 상기 편광기와 광검출기 사이에 위치하는 광선분산 기기로 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 장치를 이용하는 방법은 상기 편광기와 광선분산 기기 사이에 물체를 삽입하는 단계; 상기 편광기를 통해 상기 펄스 광선을 보냄으로써 편광을 생성하는 단계; 상기 물체를 통해 상기 편광 광선을 보냄으로써 위상지연 광선을 생성하는 단계; 상기 광선분산 기기로 상기 위상지연 광선을 보냄으로써 일차 편광 및 이차 편광으로 상기 위상지연 광선을 분할하는 단계; 상기 일차 편광의 위상 최고점과 상기 이차 편광의 위상 최고점 사이의 시간차를 측정하는 단계; 상기 시간차에 따른 위상지연 값을 계산하는 단계를 포함한다.
위상지연, 편광, 편광기, 광선분산기, 펄스 광선, 액정표시장치

Description

위상지연을 측정하는 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring phase retardation}
도 1은 광선이 복굴절 물질을 통과하는 동안의 광학적 경로를 나타내는 개략도이다.
도 2A는 본 발명에 따른 위상지연을 측정하기 위한 장치의 바람직한 실시예이다.
도 2B와 도 2C는 펄스 광선을 방사하는 장치의 구성도이다.
도 2D는 본 발명에 따른 위상지연을 측정하기 위한 장치의 다른 바람직한 실시예이다.
도 3은 위상지연을 측정하는 방법의 플로우차트이다.
도 4는 광파의 전자기장 분할를 나타내는 개략도이다.
도 5A는 45°의 선형 편광기를 펄스 단색광선이 지나가는 동안의 전기장 분할의 개략도이다.
도 5B는 편광된 광선이 물체를 지나가는 동안 위상지연이 발생하는 현상을 나타내는 개략도이다.
도 5C는 위상지연 광선이 광선분산 기기를 지나가는 동안 위상지연 광선이 두 개의 광선으로 분산되는 것을 나타낸 개략도이다.
도 5D는 광선분산 기기로부터 분산된 광 사이의 시간차를 나타내는 개략도이다.
본 발명은 물질의 광특성을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 복굴절 물질의 광학적 위상지연을 결정하기 위한 장치와 방법에 관한 것이다.
TN(twisted nematic)과 STN(super-twisted nematic)등을 포함하는 종래 액정 표시장치의 기술에서 액정 배열 및 위상차값과 같은 액체 표시장치의 품질에 영향을 미치는 중요한 여러 개의 중요 매개변수를 가지고 있다.
상기 기술된 매개변수는 액정 표시장치의 디자인에 관련된 결정적인 요소이기 때문에, 많은 특허와 연구들이 일반에게 제안되어 왔다. 다음 사항은 종래에 개시된 기술을 묘사한 것이다.
(1) 미국 특허 6,633,358호는 액정의 비틀림각(twist angle)과 지연값을 결정하는 방법들 및 장치에 관한 것이다. 상기 방법들은 예를 들어, 레이져 빔과 같이 단색 광원을 사용한다. 비틀림각과 지연값은 편광기와 액정 방위 측정만을 을 조정함으로써 얻은 데이터를 적용하여 얻을 수 있다.
(2) 미국 특허 6,300,954호는 빛이 최대 또는 최소 세기로 통과되며 광검출기가 액정 표시장치에 대한 X축에 대하여 평행한 빛을 편광시키는, 특정 위치로 선 택적으로 회전될 수 있는 액정 표시장치 사이에 편광판을 배치하여 액정 매개변수를 측정하는 장치와 방법을 제시하고 있다. 비틀림각과 두께는 측정된 전송광의 세기에 따른 스토크 매개변수(Stokes parameters)를 계산함으로써 결정될 수 있다.
(3) 미국 특허 5,825,452호는 복굴절된 물질을 통과한 편광된 빛의 직각 위상 축을 결합함으로써 생성된 분광 간섭 패턴을 고려하여 복굴절 물질에서 지연 또는 복굴절을 측정하는 광학 및 계산 시스템을 개시한다. 그리고 분광 간섭 패턴에 따라 적절하게 프로그램화된 컴퓨터는 상기 물질에 의해 유발된 지연을 결정하도록 설정되어 있다.
상기에 제시된 공지기술로부터 이들 방법 및 장치는 전송된 빛 세기의 각 의존성을 관찰함으로써 데이터를 수집하는 데에 시간이 걸리기 때문에 복굴절 물질의 파라미터를 얻는 데에 불편하고 시간적으로 효과적이지 않다. 상기 문제점 때문에, 종래기술의 문제점을 해결한 위상지연을 측정하기 위한 장치와 방법을 제공할 필요가 있다.
본 발명의 주요한 목적은 복굴절 물질의 위상지연을 측정하는 장치와 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 가격이 싸고 쉽게 제작할 수 있는 위상지연 값을 계산하기 위하여 편광기와 광선분산기를 결합하여 이용함으로써 위상지연을 측정하는 장치와 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 정확하고 효과적으로 위상지연 값을 계산하기 위 하여 편광기와 광선분산기를 결합하여 이용한 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 펄스 광선을 방사시킬 수 있는 단색 광원; 상기 단색 광원의 일면에 위치하는 광검출기; 상기 단색 광원과 상기 광검출기 사이에 위치하는 편광기; 및 상기 편광기와 광검출기 사이에 위치하는 광선분산 기기를 포함하는 장치를 제공한다.
상기한 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 하기의 공정을 포함하는 방법을 제공한다:
(a) 펄스 광선을 방사할 수 있는 단색 광원; 상기 단색 광원의 일면에 위치하는 광검출기; 상기 단색 광원과 광검출기 사이에 위치하는 편광기; 및 상기 편광기와 상기 광검출기 사이에 위치하는 광선분산 기기를 포함하는 위상지연 측정장치를 제공하는 단계;
(b) 상기 편광기와 광선분산 기기 사이에 물체를 삽입하는 단계;
(c) 상기 편광기를 통해 상기 펄스 광선을 보냄으로써 편광 광선을 생성하는 단계;
(d) 상기 물체를 통해 상기 편광 광선을 보냄으로써 위상지연 광선을 생성하는 단계;
(e) 상기 광선분산 기기로 상기 위상지연 광선을 보냄으로써 일차 편광 및 이차 편광으로 상기 위상지연 광선을 분할하는 단계;
(f) 상기 일차 편광의 위상 최고점과 상기 이차 편광의 위상 최고점 사이의 시간차를 측정하는 단계;
(g) 상기 시간차에 따라 위상지연 값을 계산하는 단계.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1에 따르면, 광(50)이 예를 들어 네마틱 액정과 같은 복굴절 물질(6)로 입사한다. 상기 물질(6)은 이방성 특성을 갖기 때문에, 입사광이 상광선(常光線, ordinary ray, 40)과 이상광선(extraordinary ray, 41) 성분으로 나뉘어지는, 2개의 굴절률을 갖는 복굴절을 나타낸다. 이 두 성분(40, 41)은 다른 속도로 진행하기 때문에, 파동은 상으로부터 벗어난다. 광이 복굴절 물질에서 빠져나와서 재결합될 때, 이 위상 차이로 인하여 편광 상태가 변한다. 쉽게 설명하자면, 상광선과 관련된 복굴절 물질의 굴절률은 n0로 이상광선과 관련된 복굴절 물질의 다른 굴절률은 ne로 표시한다.
복굴절로 인하여 상광선과 이상광선이 복굴절 물질을 통과할 때 이 두 광의 광로가 다르다. 따라서 이들이 복굴절 물질을 빠져나와 재결합된 후에 이 위상 차이로 인하여 편광 상태가 변하게 되며, 이를 위상지연 현상이라고 부른다.
위상지연의 방정식은 다음과 같다.
Figure 112005059756584-PAT00001
상기 식에서 no는 상광선의 굴절률, ne는 이상광선의 굴절률이고, λ는 물질을 지나가는 광선의 파장이며, d는 물질의 두께로 상기 물질은 입사 광선의 이동 방향과 평행이다.
분수율은 물체 내의 광선의 속도에 대한 진공에서의 광속도의 비로 정의되며, 수학식 1는 하기의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112005059756584-PAT00002
상기 식에서 C는 광속도이고 Ve는 이상광선의 속도이며, Vo는 상광선의 속도이다.
상기 수학식 2로부터 물체에 대한 속도의 비는 시간(t)의 역수이다. 따라서, 수학식 2는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112005059756584-PAT00003
수학식 3을 재배열하면, 하기 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112005059756584-PAT00004
수학식 4에 따르면, 만일 상광선과 이상광선의 시간차를 감지 및 측정할 수 있다면, 수학식 4에서 C, λ 및 2π는 알려진 상수이므로, 수학식 4를 계산함으로써 위상지연을 쉽게 얻는다.
도 2A는 본 발명에 따른 위상지연을 측정하기 위한 장치의 바람직한 실시예이다. 상기 장치(2)는 단색광원(21), 광검출기(24), 편광기(22) 및 광선분산 기기(23)로 이루어져 있다. 도 2B와 도 2C에 따르면, 단색광원(21)은 펄스 광선(211)이나 광초핑 기기(light chopping apparatus, 212)처럼 펄스 광(51)을 방사시킬 수 있다. 광 초핑 기기는 연속 단색광원(2121)과 초퍼(chopper, 2122)로 구성되어 있는데, 상기 초퍼(2122)는 연속 단색광원(2121)에서 펄스 광선(51)으로 방출된 연속 광선을 자르기 위하여 회전할 수 있다.
도 2A를 참조하면, 광검출기(24)는 단색광원(21)으로부터 방사된 빛의 세기를 받아 감지하기 위하여 단색광원(21)의 일면에 배치되어 있다. 45°와 같이 정확하게 편광된 각을 갖는 선형 편광기, 원형 편광기 또는 타원 편광기와 같은 편광기(22)는 단색광원(21)과 광검출기(24) 사이에 배치된다. 광선분산 기기(23)는 편광기(22)와 광검출기(24) 사이에 배치되는데, 본 실시예에서 광선분산 기기(23)는 실질적으로 편광시키는 광선분산기이다. 도 2D를 참조하면, 광선분산기(231)와 광 선분산기(231)로부터 분산된 광을 받는 적어도 두 개의 편광기(232a, 232b)를 포함하는 광선분산 기기(23)는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예이다. 각각의 편광기(232a, 232b)의 편광각은 서로 직교한다.
본 발명의 요점을 보다 상세하게 설명하기 위하여, 도 2A 및 도 3을 참조하면, 도 3은 위상지연을 측정하기 위한 방법의 플로우차트이다. 플로우 3은 다음 단계로 구성되어 있다.
단계 31 - 도 2A에 의하면, 펄스 광선을 방사할 수 있는 단색광원(21); 단색광원(21)의 일면에 배치된 광검출기(24); 단색광원(21)과 광검출기(24)사이에 배치된 편광기(22); 및 편광기(22)와 광검출기(24)사이에 배치된 광선분산 기기(23);을 포함하는 위상지연 측정 장치의 제공하는 단계;
단계 32 - 편광기(22)와 광선분산 기기(23) 사이에 물체를 삽입하는 단계;
단계 33 - 편광기(22)를 통과한 펄스 광선을 보냄으로써 편광 광선을 발생시키는 단계;
단계 34 - 물체를 통과한 편광 광선을 보냄으로써 위상지연 광선을 발생시키는 단계;
단계 35 - 위상지연 광선을 광선분산 기기(23)로 보냄으로써 일차 편광 및 이차 편광으로 위상지연 광선을 분할하는 단계;
단계 36 - 광검출기(24)에 의해 일차 편광의 위상 최고점과 이차 편광의 위상 최고점 사이의 시간차를 측정하는 단계;
단계 37 - 시간차에 따라 위상지연 값을 계산하는 단계.
물체는 액정과 같은 복굴절 물질이다. 상기 단계 31에서 적용한 장치는 앞에서 기술한 것과 같으므로, 여기서 장치에 관해서는 더 이상 설명하지 않는다.
도 4는 광파의 전자기장 분할를 나타내는 개략도이다. 도면에 의하면, 광은서로 수직의 동요하는 전기장과 자기장으로 구성된 가로 전자기파로 대표될 수 있다. 다이어그램의 왼쪽 면은 XY 평면의 전기장, XZ 평면의 자기장 및 X 방향의 파의 전파를 나타내고 있다. 일반적으로 자기장 성분은 근본적으로 같기 때문에, 전기장 벡터만이 취급된다.
도 5A를 참조하면, 위에서 언급한 바와 같이, 광은 가로의 전자기파이나, 자연광은 일반적으로 편광되어 있지 않고, 모든 전파 평면은 단색광원으로부터 방출된 펄스 광선(51)과 균등하게 같을 것이다. 단계 33에서 펄스 광선(51)이 45°의 편광각을 갖는 선형 편광기(22)를 통과할 때, 펄스 광선(51)은 공간에서 서로 수직인 일차 평면 편광(521)과 이차 평면 편광(522)의 형태를 갖는 편광 광선(52)으로 변환될 것이다. 이들 벡터 합은 하나의 파를 형성하며, 45°의 선형으로 편광되어 있다.
도 5B에 의하면, 물체는 X축 방향으로 광축을 가진 액정(7)이며, 단계 34에서, 편광 광선(52)이 이방성 분자 구조를 가진 복굴절 물질인 액정(7)을 통과할 때, 편광 광선(52)은 위상지연 광선의 XY 평면 하위성분과 위상지연 광선(53)의 YZ 평면 하위성분 사이의 차이로부터 얻은 위상차(56)를 갖는 위상지연 광선(53)으로 변환될 것이다.
도 5C는 위상지연 광선(53)이 광선분산기(23)인 광선분산 기기를 지나가는 동안 위상지연 광선(53)이 두 개의 광선으로 분할되는 것을 나타낸 개략도이다. 일반적으로 광선분산기는 입사된 광선을 두 개의 광으로 분할할 수 있으며, 상기 하나의 광선이 광선분산기로부터 반사되고, 그 동안 나머지 한 광선은 영향을 받지 않고, 광선분산기를 통해 지나갈 것이다. 만일 통과된 광과 반사된 광이 광선분산기의 평면에 존재하는 동안 통과된 광 및 존재하는 반사된 광에 대한 광선분산기의 평면이 편광기라면, 통과된 광 및 반사된 광은 편광될 것이다. 도 5C에서 보여준 본 실시예에서는 위상지연 광선(53)이 편광 광선분산기(23)를 통해 지나가는 동안 편광 광선분산기(23)를 통과한 위상지연 광선(53)은 이상광선인 편광 광선(55)으로 일차 편광되고, 편광 광선분산기(23)로부터 반산된 위상지연 광선(53)은 상광선인 편광 광선(54)으로 이차 편광될 것이다. 일차 편광된 광선(55)와 이차 편광된 광선(54) 사이에는 위상차가 생긴다.
도 5D를 참조하면, 수평축은 시간영역을 가리키며, 반면에 수직축은 세기 영역을 가리킨다. 위상지연 광선은 액정에 의하여 생긴 위상차를 갖는 두 개의 광선 (54, 55)으로 분할되기 때문에, 광검출기는 일차 편광 광선(55)과 이차 편광 광선(54) 사이의 위상차로부터 얻은 결과인 시간차 △t를 감지할 수 있다. 시간차 △t를 측정한 후, 수학식 4를 계산함으로써 액정의 위상지연을 쉽게 얻을 수 있다.
상기에서 본 발명은 기재된 구체예를 중심으로 상세히 설명되지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 위상지연을 측정하는 장치 및 방법에 의하면, 측정 장비를 값싸고 쉽게 제작할 수 있는 효과가 있다.
다른 효과로는 액정의 위상지연 값을 시간차를 측정하는 것으로 방정식을 이용해 쉽게 계산할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 펄스 광선을 방사시킬 수 있는 단색 광원;
    상기 단색 광원의 일면에 위치하는 광검출기;
    상기 단색 광원과 상기 광검출기 사이에 위치하는 편광기; 및
    상기 편광기와 광검출기 사이에 위치하는 광선분산 기기를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상지연 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광기는 선형 편광기, 원형 편광기 및 타원형 편광기로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 위상지연 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광선분산 기기는 광선분산기와 상기 광선분산기로부터 분산된 광을 받아들이는 적어도 두 개의 편광기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상지연 측정장치.
  4. (a) 펄스 광선을 방사할 수 있는 단색 광원; 상기 단색 광원의 일면에 위치하는 광검출기; 상기 단색 광원과 광검출기 사이에 위치하는 편광기; 및 상기 편광기와 상기 광검출기 사이에 위치하는 광선분산 기기를 포함하는 위상지연 측정장치 를 제공하는 단계;
    (b) 상기 편광기와 광선분산 기기 사이에 물체를 삽입하는 단계;
    (c) 상기 편광기를 통해 상기 펄스 광선을 보냄으로써 편광 광선을 생성하는 단계;
    (d) 상기 물체를 통해 상기 편광 광선을 보냄으로써 위상지연 광선을 생성하는 단계;
    (e) 상기 광선분산 기기로 상기 위상지연 광선을 보냄으로써 일차 편광 및 이차 편광으로 상기 위상지연 광선을 분할하는 단계;
    (f) 상기 일차 편광의 위상 최고점과 상기 이차 편광의 위상 최고점 사이의 시간차를 측정하는 단계;
    (g) 상기 시간차에 따라 위상지연 값을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상지연 측정방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 편광기는 선형 편광기, 원형 편광기 및 타원형 편광기로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 위상지연 측정방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 광선분산 기기는 광선분산기와 상기 광선분산기로부터 분산된 광을 받아들이는 적어도 두 개의 편광기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상지연 측정 방법.
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