RU2686516C1 - Measuring device for determination of preset angle and azimuthal surface energy of liquid crystal - Google Patents
Measuring device for determination of preset angle and azimuthal surface energy of liquid crystal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2686516C1 RU2686516C1 RU2018107026A RU2018107026A RU2686516C1 RU 2686516 C1 RU2686516 C1 RU 2686516C1 RU 2018107026 A RU2018107026 A RU 2018107026A RU 2018107026 A RU2018107026 A RU 2018107026A RU 2686516 C1 RU2686516 C1 RU 2686516C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- angle
- cell
- measuring
- long side
- polarizer
- Prior art date
Links
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 title claims abstract description 12
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 3
- 230000013011 mating Effects 0.000 claims description 2
- 238000010073 coating (rubber) Methods 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 21
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 abstract description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 47
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 8
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000005577 local transmission Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 150000003961 organosilicon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
- G01B21/22—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
- G01M11/02—Testing optical properties
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
- G01N2021/218—Measuring properties of electrooptical or magnetooptical media
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Liquid Crystal (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к автоматизированной системе измерения угла преднаклона и азимутальной энергии сцепления в ЖК ячейках.The invention relates to an automated system for measuring the pre-inclination angle and the azimuthal energy of adhesion in the LCD cells.
Для повышения качества изображения новых жидкокристаллических (ЖК) дисплеев необходимо знать физические свойства ЖК и их зависимость от управляющих воздействий и термодинамических параметров. Измерение этих характеристик с высокой точностью требует разработки новых методик с учетом анизотропии практически всех свойств ЖК. Для объемных свойств ЖК (упругость, вязкость, диэлектрические и оптические параметры и др.) эти методики разработаны [1-2]. Процесс измерения параметров взаимодействия жидких кристаллов с поверхностью ориентирующего слоя ЖК ячейки является более трудоемким, так как результаты измерений зависят не только от свойств ЖК, но и структуры и метода подготовки ориентирующего слоя. К этим характеристикам можно отнести поверхностное натяжение с полярной и дисперсионной компонентами, энергия сцепления ЖК с подложкой (полярная и азимутальная составляющие), угол преднаклона ЖК на поверхности подложки, поверхностная вязкость [3].To improve the image quality of new liquid crystal (LCD) displays, it is necessary to know the physical properties of LCDs and their dependence on control actions and thermodynamic parameters. Measurement of these characteristics with high accuracy requires the development of new techniques taking into account the anisotropy of almost all the properties of the LC. For volumetric properties of liquid crystals (elasticity, viscosity, dielectric and optical parameters, etc.), these techniques have been developed [1-2]. The process of measuring the parameters of the interaction of liquid crystals with the surface of the LCD cell alignment layer is more laborious, since the measurement results depend not only on the LCD properties, but also on the structure and method of preparing the alignment layer. These characteristics include the surface tension with the polar and dispersion components, the adhesion energy of the LC with the substrate (polar and azimuthal components), the angle of inclination of the LC on the substrate surface, surface viscosity [3].
Наиболее важными для практического применения из них являются полярная и азимутальная энергия сцепления ЖК с подложкой (Wθ и W, соответственно) и θ - угол преднаклона ЖК. Их измерение осуществляется рядом способов, описанных в [4-7]. Для измерения угла наклона в [4-6] используется метод поворота ЖК элемента. При этом измеряется средний угол наклона ЖК. В [7] разработаны методы измерения полярной энергии сцепления по изменению емкости ячейки или разности фазовой задержки между необыкновенным и обыкновенным лучами, распространяющимися в ячейке, при значительной деформации слоя ЖК под действием приложенного напряжения. В этих измерениях используются ЖК элементы, в которых деформация директора ЖК (преимущественное направление ориентации ЖК) во всем объеме слоя ЖК происходит в одной плоскости. Это изменение ориентации ЖК внутри ячейки соответствует деформации поперечного или продольного изгиба (splay или S и bend или В соответственно). Методы измерения азимутальной энергии сцепления, основанные на измерении угла поворота поляризации света, проходящего через твист-ячейку, предложены в [7]. Теоретические основы этого метода заложены в [8]. Методы и установки, в которых комбинируется измерение различных перечисленных параметров, описаны в [7].The most important for practical application of them are the polar and azimuthal energy of adhesion of the LC to the substrate (Wθ and W, respectively) and θ is the angle of pre-inclination of the LC. Their measurement is carried out in a number of ways described in [4-7]. To measure the angle of inclination in [4-6] using the method of rotating the LCD element. This measures the average angle of inclination of the LCD. In [7], methods for measuring the polar energy of adhesion by changing the cell capacitance or phase difference between the extraordinary and ordinary rays propagating in the cell, with a significant deformation of the LC layer under the action of the applied voltage, were developed. In these measurements, LC elements are used in which the deformation of the LC director (preferential direction of the LC orientation) in the entire volume of the LC layer occurs in one plane. This change in the orientation of the LC inside the cell corresponds to the deformation of the transverse or longitudinal bending (splay or S and bend or B, respectively). Methods for measuring the azimuthal energy of adhesion, based on measuring the angle of rotation of the polarization of light passing through the twist-cell, are proposed in [7]. The theoretical foundations of this method were laid in [8]. Methods and installations in which the measurement of the various parameters listed is combined are described in [7].
В [9] показано, что в ячейках с неоднородным распределением директора ЖК и произвольными углами преднаклона наблюдается более сложная связь между величиной разности фазовой задержки и углом преднаклона, чем в однородно ориентированных ячейках. Поэтому измерения, выполняемые по методам [4-7], могут не давать полной информации по углу преднаклона на поверхности ориентирующего слоя. Это существенно при разработке новых ориентирующих ЖК покрытий с углом преднаклона в большом диапазоне, например, на основе кремнийорганических соединений [10].In [9], it was shown that in cells with an inhomogeneous distribution of an LC director and arbitrary pretilt angles there is a more complex relationship between the magnitude of the difference in phase delay and the pretilt angle than in uniformly oriented cells. Therefore, measurements performed by the methods of [4–7] may not provide complete information on the pre-tilt angle on the surface of the alignment layer. This is significant when developing new LCD alignment coatings with a pre-tilt angle in a large range, for example, based on organosilicon compounds [10].
Поэтому технической проблемой, решаемой заявленным изобретением является разработка системы, обеспечивающей как точность и воспроизводимость результатов измерений, так и их физическую обоснованность. Технологической задачей разработки метода исследований является скорость и простота измерений, что может обеспечиваться автоматизацией управления параметрами измерительного процесса и регистрацией и регистрации результатов измерений. При этом может использоваться комбинация различных методик измерения в одной установке.Therefore, a technical problem solved by the claimed invention is the development of a system that provides both accuracy and reproducibility of measurement results, as well as their physical validity. The technological task of developing a research method is the speed and simplicity of measurements, which can be ensured by automating the control of the parameters of the measurement process and the registration and recording of measurement results. In this case, a combination of different measurement methods in one installation can be used.
Технический результат заключается в ускорении процесса поиска новых материалов для ЖК дисплеев за счет достижения более точного измерения их характеристик с комбинацией разных методик измерения в одной установке.The technical result consists in speeding up the process of searching for new materials for LCD displays by achieving a more accurate measurement of their characteristics with a combination of different measurement methods in one installation.
Заявленный технический результат достигается за счет конструкции устройства для измерения параметров угла наклона и азимутального поверхностного взаимодействия жидких кристаллов, включающего продолговатый корпус, источник питания и шаговый двигатель с блоком управления шаговым двигателем, на корпусе вдоль длинной стороны последовательно установлены крепежи для источника излучения, поляризатора, узла держателей образца исследуемого объекта, анализатора и измерительного устройства, шаговый двигатель соединен с узлом держателей образца исследуемого объекта, представляющего собой узел из двух конических колец с сопряженными боковыми сторонами, каждое из которых включает полость для размещения образца исследуемого объекта и фактурную поверхность боковой стороны, при этом малые основания колец ориентированы перпендикулярно друг другу, одно из которых параллельно длинной стороне корпуса, а другое -перпендикулярно.The claimed technical result is achieved due to the design of the device for measuring the parameters of the angle of inclination and azimuthal surface interaction of liquid crystals, including an elongated body, a power source and a stepper motor with a control unit of a stepper motor; sample object holders, analyzer and measuring device, the stepping motor is connected to the holder assembly about a sample of the object under study, which is a node of two conical rings with conjugate sides, each of which includes a cavity for placing a sample of the object under study and a textured side surface, while the small bases of the rings are oriented perpendicular to each other, one of which is parallel to the long side of the body, and the other is perpendicular.
В частном случае реализации изобретения держатель конического колеса, поверхность оснований которого перпендикулярна длинной стороне корпуса, закреплено между вертикальных направляющих, установленных на корпусе, с возможностью перемещения вдоль направляющих и регулирования высоты расположения держателя.In the particular case of the invention, the holder of a conical wheel, the surface of the bases of which is perpendicular to the long side of the body, is fixed between the vertical guides mounted on the body, with the possibility of moving along the guides and adjusting the height of the holder.
В частном случае реализации изобретения, для обеспечения активного охлаждения блока питания могут применять систему охлаждения, которая представляет собой вентилятор (например, от компьютера), подключенный к блоку питания.In the particular case of the implementation of the invention, to ensure the active cooling of the power supply can use the cooling system, which is a fan (for example, from a computer) connected to the power supply.
В частном случае реализации изобретения, система охлаждения может быть выполнена пассивной в виде накладного радиатора из теплопроводного материала (алюминий, медь, сплавы и т.д.) - теплоотводящего радиатораIn the particular case of the implementation of the invention, the cooling system can be made passive in the form of a surface radiator from a heat-conducting material (aluminum, copper, alloys, etc.) - a heat sink radiator
В частном случае реализации изобретения, блок управления шаговым двигателем выполнен программируемым.In the particular case of the implementation of the invention, the control unit of a stepper motor is made programmable.
В частном случае реализации изобретения, фактурная поверхность конического колеса включает радиально ориентированные зубья.In the particular case of the invention, the textured surface of the conical wheel includes radially oriented teeth.
В частном случае реализации изобретения фактурная поверхность конического колеса представляет собой шероховатую поверхность.In the particular case of the invention, the textured surface of the bevel wheel is a rough surface.
В частном случае реализации изобретения фактурная поверхность конического колеса включает покрытие, например, полимерное (резина, пластик и пр.)In the particular case of the invention, the textured surface of the conical wheel includes a coating, for example, polymer (rubber, plastic, etc.)
В частном случае реализации изобретения фактурная поверхность конического колеса включает насечки.In the particular case of the invention, the textured surface of the bevel wheel includes notches.
В частном случае реализации изобретения коническое колесо может быть выполнено разборным для возможности смены рабочей поверхности на одну из поверхностей перечисленных выше, это также повлечет смену целиком конического колеса. Рабочая поверхность съемно закреплена на рабочем колесе, например, посредством резьбовых соединений.In the particular case of the invention, the conical wheel can be made collapsible so that the working surface can be changed to one of the surfaces listed above, this will also change the entire conical wheel. The working surface is removable mounted on the impeller, for example, by means of threaded connections.
В частном случае реализации изобретения крепление поляризатора выполнено с возможностью регулирования угла наклона поляризатора и представляет собой резьбовое или подшипниковое соединение.In the particular case of the invention, the fastening of the polarizer is made with the ability to control the angle of inclination of the polarizer and is a threaded or bearing connection.
В частном случае реализации изобретения крепление анализатора выполнено с возможностью регулирования угла наклона анализатора и представляет собой резьбовое или подшипниковое соединение.In the particular case of the invention, the mounting of the analyzer is made with the ability to control the angle of the analyzer and is a threaded or bearing connection.
В частном случае реализации изобретения устройство выполнено из стали, и/или сплавов и/или полимеров.In the particular case of the invention, the device is made of steel and / or alloys and / or polymers.
Целью работы является создание автоматизированного комплекса исследований элементов ЖК дисплеев, включая:The aim of the work is to create an automated complex for the study of LCD display elements, including:
1) разработку модели автоматизированной системы измерения угла преднаклона и азимутальной энергии сцепления в ЖК ячейках;1) development of a model of an automated system for measuring the pre-tilt angle and the azimuthal energy of adhesion in the LCD cells;
2) реализацию автоматизированной системы с возможностью внешнего управления параметрами измерения;2) the implementation of an automated system with the possibility of external control of measurement parameters;
3) разработку ПО для управления системой, сбора, преобразования и анализа данных измерений и сопоставления экспериментальных и теоретических результатов.3) software development for managing the system, collecting, converting and analyzing measurement data and comparing experimental and theoretical results.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.Further, the solution is explained by reference to the figures, which show the following.
Фиг. 1 - общий вид устройства для измерения параметров угла наклона и азимутального поверхностного взаимодействия жидких кристаллов при вращении ячейки ЖК вокруг оси, совпадающей с оптической осью.FIG. 1 is a general view of a device for measuring the parameters of the angle of inclination and azimuthal surface interaction of liquid crystals during the rotation of an LC cell around an axis coinciding with the optical axis.
Фиг. 2 - схема измерения величины поверхностного угла наклона и азимутальной энергии сцепления ЖК с помощью устройства с конфигурацией, приведенной на фиг. 1.FIG. 2 is a diagram of measuring the magnitude of the surface angle of inclination and the azimuthal energy of the coupling of an LC using a device with the configuration shown in FIG. one.
Фиг. 3 - общий вид устройства для измерения параметров угла наклона и азимутального поверхностного взаимодействия жидких кристаллов при вращении ячейки ЖК вокруг оси, перпендикулярной оптической оси.FIG. 3 is a general view of a device for measuring parameters of the angle of inclination and azimuthal surface interaction of liquid crystals during the rotation of an LC cell around an axis perpendicular to the optical axis.
Фиг. 4 - схема измерения величины поверхностного угла наклона с помощью устройства с конфигурацией, приведенной на фиг. 3.FIG. 4 is a diagram of measuring the magnitude of the surface angle of inclination using a device with the configuration shown in FIG. 3
Фиг. 5 - Блок-схема установки, описывающая последовательность действий при проведении эксперимента.FIG. 5 - Block diagram of the installation, describing the sequence of actions during the experiment.
Для определения величины поверхностного угла наклона используют метод измерения пропускания света в зависимости от угла поворота ЖК ячейки вокруг оси, перпендикулярной к направлению распространения светового пучка. Основы метода разработаны в [1-2].To determine the magnitude of the surface angle of inclination, the method of measuring the transmission of light depending on the angle of rotation of the LC cell around an axis perpendicular to the direction of propagation of the light beam is used. The fundamentals of the method are developed in [1-2].
Установка для измерения параметров угла наклона и азимутального поверхностного взаимодействия жидких кристаллов включает продолговатый корпус 19, импульсный источник питания 20 (GSM-H60S) и шаговый двигатель 18 (FL-42STH) с блоком управления шаговым двигателем 17 (SMSD-1.5K).Installation for measuring the parameters of the angle of inclination and azimuth surface interaction of liquid crystals includes an
На корпусе вдоль длинной стороны последовательно установлены: крепеж 1 для источника излучения 2 (лазер ГН-5П), закрепленный на крепежном основании 22, посредством резьбового зажима 15, поворотный крепеж 4 поляризатора 3 (NPFG-1220DU), узел держателей образца исследуемого объекта 6, поворотный крепеж 9 анализатора 10, поворотный крепеж 11 поляризатора 12 и крепеж измерительного устройства 13, закрепленный на крепежном основании для фотофиксирующем оборудовании 16 посредством резьбового зажима 15.On the case along the long side there are successively installed: fastener 1 for radiation source 2 (GN-5P laser), mounted on
Шаговый двигатель 18 соединен с узлом держателей образца 6 исследуемого объекта.
Узел держателей образца 6 исследуемого объекта состоит из двух конических колес 7 и 14 с сопряженными боковыми сторонами, каждое из которых включает полость для размещения образца 6 исследуемого объекта и фактурную поверхность боковой стороны, при этом малые основания колец ориентированы перпендикулярно друг другу, одно из которых (7) параллельно длинной стороне корпуса, а другое (14) - перпендикулярно.The node of
Подвижный держатель 9 конического колеса 7, поверхность оснований которого перпендикулярна длинной стороне корпуса, закреплено между вертикальных направляющих 8, установленных на корпусе 19, с возможностью перемещения вдоль направляющих и регулирования высоты расположения держателя, при этом держатель 9 закреплен на колесе 7 через подшипник 10.The
Система охлаждения 21 может быть выполнена, например, в виде вентилятора или в виде накладного радиатора из теплопроводного материала.The
Блок управления шаговым двигателем выполнен программируемым.The control unit stepper motor is programmable.
Фактурная поверхность конического колеса включает радиально ориентированные зубья или представляет собой шероховатую поверхность. Поверхность конического колеса может включать покрытие или насечки. Покрытие может быть выполнено из полимерного материла (пластмассы, резины и пр.).The textured surface of the bevel gear includes radially oriented teeth or is a rough surface. The surface of the bevel wheel may include a coating or notches. The coating can be made of polymer material (plastic, rubber, etc.).
Крепление поляризатора выполнено с возможностью регулирования угла наклона поляризатора и представляет собой резьбовое или подшипниковое соединение.The fastening of the polarizer is made with the possibility of adjusting the angle of inclination of the polarizer and is a threaded or bearing connection.
Крепление анализатора выполнено с возможностью регулирования угла наклона анализатора и представляет собой резьбовое или подшипниковое соединение.The mounting of the analyzer is made with the possibility of adjusting the angle of the analyzer and is a threaded or bearing connection.
Устройство может быть выполнено из стали и/или сплавов и/или полимеров.The device can be made of steel and / or alloys and / or polymers.
Схема измерения с помощью конфигурации установки на фиг. 1 показана на фиг. 2. Схема измерения с помощью конфигурации установки на фиг. 3 показана на Фиг. 4. Ячейка, состоящая из двух стеклянных подложек с ориентирующими покрытиями на внутренних сторонах подложек, натертыми антипараллельно друг относительно друга, располагается на оси вращения, поверхностью перпендикулярно световому лучу 5, между скрещенными поляризаторами, которые составляют углы с осью вращения по 45°. Ячейка может вращаться вокруг оси 25, параллельной поверхности, перпендикулярной направлениям натирания и луча света 5. Измеряется пропускание света при повороте ячейки на различные углы вокруг этой оси.The measurement circuit using the setup configuration in FIG. 1 is shown in FIG. 2. Measurement scheme using the installation configuration in FIG. 3 is shown in FIG. 4. A cell consisting of two glass substrates with orienting coatings on the inner sides of the substrates rubbed antiparallel to each other is located on the axis of rotation, the surface is perpendicular to the
Интенсивность света I, прошедшего через систему на фиг. 2 и зарегистрированного фотоприемником, связана с фазовой задержкой δ между необыкновенным и обыкновенным лучами, распространяющимися в ячейке, соотношением:The intensity of the light I transmitted through the system in FIG. 2 and registered by the photodetector, is associated with the phase delay δ between the extraordinary and ordinary rays propagating in the cell, the ratio:
где I - интенсивность светового пучка, проходящего через оба поляризатора с параллельными осями, с учетом поглощения ячейки,where I is the intensity of the light beam passing through both polarizers with parallel axes, taking into account the absorption of the cell,
I0 - максимальная интенсивность света проходящего чрез ячейку.I 0 - the maximum intensity of light passing through the cell.
Фазовая задержка светового луча, прошедшего через ячейку при угле поворота ячейки ψ, может быть представлена как:The phase delay of the light beam passing through the cell at the angle of rotation of the cell can be represented as:
где d - толщина слоя ЖК,where d is the thickness of the LCD layer,
λ - длина волны света,λ is the wavelength of light
f (α,ψ) - функция угла преднаклона ЖК α и угла поворота ячейки ψ, определяемого как угол между падающим световым лучом и направлением нормали к поверхности ячейки,f (α, ψ) is the function of the LCD's pre-tilt angle α and the cell rotation angle, defined as the angle between the incident light beam and the direction normal to the cell surface,
при этом угол преднаклона:the pre-tilt angle is:
где θ - критический угол полного внутреннего отражения,where θ is the critical angle of total internal reflection,
Функция f(α,ψ) выражается как:The function f (α, ψ) is expressed as:
где а, b, с определяются следующим образом:where a, b, c are defined as follows:
где n1 - показатель преломления ЖК для необыкновенного луча,where n 1 is the LCD refractive index for an extraordinary ray,
n2 - показатель преломления ЖК для обыкновенного луча.n 2 is the LCD refractive index for an ordinary beam.
Для определения интенсивности света, прошедшего через ЖК ячейку в опыте с вращением ячейки вдоль оси, параллельной оси распространения света, была применена следующая формула:To determine the intensity of light transmitted through the LC cell in the experiment with the cell rotating along the axis parallel to the axis of light propagation, the following formula was used:
где T(ψ) - интенсивности света, прошедшего через ЖК ячейку в опыте с вращением ячейки вдоль оси, параллельной оси распространения света с учетом угла поворота ячейки ψ.where T (ψ) is the intensity of the light transmitted through the LC cell in the experiment with the cell rotating along the axis parallel to the axis of light propagation taking into account the angle of rotation of the cell.
Для исследования азимутальной энергии сцепления W определяется длина волны λ, для которой угол поворота линейно-поляризованного света определяется только углом закрутки нематической твист-ячейки, регистрируется поворот плоскости поляризации ϕt при прохождении света с длиной волны λ через ЖК ячейку. Азимутальная энергия сцепления определяется параметрами ЖК и геометрией ячейки следующим образом:To study the azimuthal energy of adhesion W, the wavelength λ is determined, for which the rotation angle of linearly polarized light is determined only by the twist angle of the nematic twist cell, the rotation of the polarization plane ϕ t is recorded when light with wavelength λ passes through the LCD cell. The azimuthal cohesion energy is determined by the parameters of the LCD and the geometry of the cell as follows:
где Δϕ=ϕt-ϕ0, при этомwhere Δϕ = ϕ t -ϕ 0 , while
ϕ0 - угол закрутки ячейки, заданный условиями обработки ориентирующего слоя,ϕ 0 - the twist angle of the cell, given the processing conditions of the orienting layer,
ϕt - реальный угол закрутки жидкого кристалла в ячейке,ϕ t - the real angle of twist of the liquid crystal in the cell,
d - зазор ячейки, K22 - константа упругости ЖК для деформации кручения. Для определения величины ϕt измеряют пропускание твист ячейки при ее вращении вокруг оси, нормальной к поверхности подложки. Пропускание света длины волны λ с ЖК ячейкой определяется формулой:d is the cell gap, K22 is the elastic constant of the LC for torsional deformation. To determine the value of ϕ t, the transmittance of the twist of the cell is measured as it rotates around an axis normal to the surface of the substrate. The transmission of light wavelength λ with an LCD cell is determined by the formula:
где Т - это величина пропускания света длины волны λ с ЖК ячейкой,where T is the value of the transmittance of light of wavelength λ with an LCD cell,
βр-а - угол между оптическими осями поляризатора и анализатора.β p-a is the angle between the optical axes of the polarizer and the analyzer.
Принципиальная схема установки для измерения поверхностного угла наклона и азимутальной энергии сцепления представлена на фиг. 2.A schematic diagram of the installation for measuring the surface angle of inclination and the azimuthal energy of adhesion is shown in FIG. 2
На фиг. 5 приведена блок-схема установки, показана последовательность действий при выполнении измерения и управление этими действиями. Штриховая линия с короткими штрихами обозначает физическое звено, Штриховая линия с более длинными штрихами обозначает программное звено, штрих-пунктирная линия обозначает аналитическое звено.FIG. 5 shows the block diagram of the installation, shows the sequence of actions in the measurement and management of these actions. A dashed line with short strokes indicates a physical link, a dashed line with longer strokes indicates a program link, and a dash-dotted line indicates an analytic link.
Физическая модель системы представляет интерес с точки зрения объединения разных методик исследования ЖК элементов в одном автоматизированном комплексе. В данном устройстве реализованы две методики исследования ЖК элементов по стандартам ГСССД. Конструкция устройства предусматривает задел для увеличения количества методик измерения в одном устройстве. Например могут быть реализованы измерения с приложением к измеряемому элементу электрического тока. Конструкция прибора спроектирована таким образом, чтобы объединить методики измерений, используя минимальный набор оборудования, что позитивно сказалось на сложности сборки и обслуживания устройства, а также на его массогабаритных характеристиках. Таким образом, имея лишь один шаговый двигатель, удалось реализовать вращение ЖК элемента в разным плоскостях без потери точности измерений. Держатель узла крепежей образца ЖК ячейки связан с шаговым двигателем, при запуске работы которого колесо 14 вращается и вращает колесо 7 за счет сцепленных сопряженных поверхностей. При проведении испытаний по схеме с фиг. 4 блок 23 (фиг. 3) убирается наверх посредством регулируемого держателя 9 и не участвует в испытаниях.The physical model of the system is of interest from the point of view of combining different methods of studying LCD elements in one automated complex. This device implements two methods for studying LCD components according to the standards of the GNSSD. The design of the device provides a basis for increasing the number of measurement methods in a single device. For example, measurements can be implemented with an electrical current applied to the measured element. The device design is designed to combine measurement techniques using a minimum set of equipment, which positively affected the complexity of assembly and maintenance of the device, as well as its weight and size characteristics. Thus, having only one stepping motor, it was possible to realize the rotation of the LCD element in different planes without loss of measurement accuracy. The holder of the fixture assembly sample of an LCD cell is connected to a stepper motor, when it starts up, the
Точность проведения измерений с помощью разработанного устройства находится на уровне 0,05625°/шаг, что позволяет работать в автоматической режиме с высокой скоростью и точностью. Устройство отличается модульной структурой, удобством эксплуатации, простотой сборки, а также заделом для расширения спектра измеряемых параметров путем добавления дополнительных средств измерения. Разработка устройства в строгом соответствии стандартам ГСССД позволяет применять его для получения научных данных имеющихся образцов ЖК, моделировать поведение ЖК для перспективных задач, применять устройство в системах контроля качества выпускаемой продукции. Пользователями данного аппаратно-программного комплекса могут быть научно-исследовательские институты и научно-промышленные объединения, занимающиеся тематикой ЖК и электронных средств отображения информации.The accuracy of measurements using the developed device is at the level of 0.05625 ° / step, which allows you to work in automatic mode with high speed and accuracy. The device has a modular structure, ease of use, ease of assembly, as well as a reserve for expanding the range of measured parameters by adding additional measurement tools. Development of the device in strict compliance with the standards of the GSSSD allows it to be used to obtain scientific data of existing samples of LCDs, to model the behavior of LCDs for prospective tasks, to use the device in quality control systems of manufactured products. The users of this hardware-software complex can be research institutes and scientific-industrial associations dealing with LCD and electronic information display facilities.
Процесс измерения проводят следующим образом. Излучение лазера проходит через поляризатор и падает на ЖК ячейку, находящуюся в движении. Далее луч проходит через анализатор и попадает в фотоприемник. Вал, вращающий ячейку, приводится в движение ременной передачей от шагового мотора по заданной программе, инсталлированной в блоке управления мотором. Скорость вращения ячейки оптимально подобрана для своевременного снятия показаний с фотоприемника. Данные с фотоприемника попадают на осциллограф, где обрабатываются в специальной программе с возможностью записи массива данных в файл. Для обработки данных был выбран программный пакет Matlab. Данные записываются в файл, совместимый по формату с этим программным пакетом. Формируется график пропускания света ЖК твист ячейкой в зависимости от угла поворота по оси вращения симметричной лучу лазера.The measurement process is carried out as follows. The laser radiation passes through the polarizer and falls on the LCD cell in motion. Then the beam passes through the analyzer and enters the photodetector. The shaft, which rotates the cell, is driven by a belt drive from a stepper motor according to a predetermined program installed in the motor control unit. The cell rotational speed is optimally matched for timely readings from the photodetector. The data from the photodetector is transferred to an oscilloscope, where it is processed in a special program with the ability to write an array of data to a file. Matlab software was chosen for data processing. Data is written to a file compatible with the format of this software package. Formed a graph of the transmission of light LCD twist cell depending on the angle of rotation along the axis of rotation symmetrical to the laser beam.
Для определения измеряемых параметров взаимодействия ЖК с ориентирующей подложкой, например, азимутальной энергии сцепления, необходимо совместить кривую пропускания света, полученную экспериментально, с кривой, рассчитанной по формуле (4) для некоторого значения угла недозакрутки Δϕ.To determine the measured parameters of the interaction of the LC with the orienting substrate, for example, the azimuthal energy of adhesion, it is necessary to combine the light transmission curve, obtained experimentally, with the curve calculated by the formula (4) for a certain value of the backlash angle Δϕ.
Для определения измеряемых параметров взаимодействия ЖК с ориентирующей подложкой, например, угол преднаклона, необходимо совместить аналогичную кривую пропускания света, полученную экспериментально по схеме на фиг. 4, с кривой, рассчитанной по формулам (2-4). Высота локальных максимумов пропускания при увеличении угла поворота уменьшается на экспериментальных графиках из-за отражения света от внешних поверхностей подложек ЖК ячейки. Этот эффект в формулах (2-4) не учтен.To determine the measured parameters of the interaction of the LC with the orienting substrate, for example, the pre-tilt angle, it is necessary to combine a similar light transmission curve, obtained experimentally according to the scheme in FIG. 4, with a curve calculated by formulas (2-4). The height of the local transmission maxima decreases with increasing angle of rotation in the experimental graphs due to the reflection of light from the external surfaces of the LC cell substrates. This effect is not taken into account in formulas (2-4).
Разработано программное обеспечение в среде Matlab, способное на базе предложенного математического аппарата строить теоретические графики пропускания света в зависимости от параметров каждой конкретной ЖК ячейки и необходимого для измерения диапазона.Matlab software has been developed that is capable of building theoretical graphs of light transmission based on the proposed mathematical apparatus, depending on the parameters of each particular LCD cell and the range required for measuring.
Таким образом, для двух методов измерения свойств ЖК элементов разработаны и физически смоделированы макеты устройства и системы автоматического поворота подвижных элементов и их кинематические схемы управления при различных направлениях 24 поворота ячейки в одной установке. Разработанные системы обеспечивают диапазон изменения углов поворота в заданном сегменте с точностью, достаточной для правильного определения измеряемых физических характеристик, а также высокую скорость измерения.Thus, for two methods for measuring the properties of LCD elements, device layouts and systems for automatic rotation of moving elements and their kinematic control schemes for
Также разработано программное обеспечение, позволяющее сохранять полученные данные в файлах, совместимых с программным макетом Matlab, и моделировать зависимости пропускания света от угла поворота ячейки, исходя из основных параметров кристалла для систем с различными направлениями поворота ячейки.Also, software has been developed that allows storing the obtained data in files compatible with the Matlab software layout and simulating the dependence of light transmission on the angle of cell rotation, based on the basic crystal parameters for systems with different cell rotation directions.
Для образцов ЖК ячеек различного типа ориентации смоделировано пропускание света в зависимости от угла поворота ячейки; эти данные сопоставлены с экспериментальными результатами и на их основе определены значения параметров взаимодействия жидких кристаллов с поверхностью ориентирующего слоя.For samples of LC cells of different types of orientation, light transmission is modeled depending on the angle of rotation of the cell; these data are compared with the experimental results and on their basis the values of the parameters of the interaction of liquid crystals with the surface of the orienting layer are determined.
Список литературы:Bibliography:
1. Belyaev V.V. Viscosity of Nematic Liquid Crystals Hardcover. Cambridge International Science Publishing Ltd (2009), 238 p.1. Belyaev V.V. Viscosity of Nematic Liquid Crystals Hardcover. Cambridge International Science Publishing Ltd (2009), 238 p.
2. Belyaev V.V. Physical methods for measuring the viscosity coefficients of nematic liquid crystals. Physics-Uspekhi. Advances in Physical Sciences, V. 44, p. 255-284 (2001).2. Belyaev V.V. Methods for measuring the viscosity of the nematic liquid crystals. Physics-Uspekhi. Advances in Physical Sciences, V. 44, p. 255-284 (2001).
3. Cognard J. Alignment of Nematic Liquid Crystals and Their Mixtures, Molecular Crystals and Liquid Crystals, Suppl. 1 (Gordon and Breach, London, 1982).3. Cognard J. Alignment of Liquid Crystals and Molecular Crystals, Suppl. 1 (Gordon and Breach, London, 1982).
4. Marinov Y., Shonova N., Versace C., Petrov A.G. Flexoelectric spectroscopy measurements of surface dissipation of energy and surface viscosity of weakly anchored homeotropic nematic // Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1999, 329, p. 533.4. Marinov Y., Shonova N., Versace C., Petrov A.G. It is a weakly anchored homeotropic nematic. Cryst. Liq. Cryst. 1999, 329, p. 533.
5. Opara Т., Baran J.W. and Zmija J. Interferential method for determining the inclination angle of molecules in plane-parallel liquid crystalline layers, Cryst. Res. Technol. 22, 1073(1988).5. Opara T., Baran J.W. and Zmija J. Interferential method for the liquid crystalline layers, Cryst. Res. Technol. 22, 1073 (1988).
6. Chen S.H., Kuo C.L., Wie J.G. and Hao C.W. Implementation and assessment of a tilt-angle-measurement system for liquid-crystal cells, Proc. SPIE 1815, Display Technologies, 194 (1992).6. Chen S.H., Kuo C.L., Wie J.G. and Hao C.W. Tilt-angle-measurement system for liquid-crystal cells, Proc. SPIE 1815, Display Technologies, 194 (1992).
7. Han K.Y., Miyashita T. and Uchida T. Accurate measurement of pretilt angle in the liquid crystal cell by an improved crystal rotation method, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 241, 147-157 (1994).7. Han K., Y., Miyashita, T. & U. Cryst. Liq. Cryst. 241, 147-157 (1994).
8. Belyaev V.V., Chausov D.N., Solomatin A.S., Murauski An.A., Murauski Al.A., Mazaeva V.G. The study of the interaction energy with LCD monomolecular films orienting // 6th Workshop "Metrology and Standartization in Nanotechnology and Nanoindustry", Proc, Ekaterinburg, 4-7 june 2013 г. Abstract, p. 37-40.8. Belyaev V.V., Chausov D.N., Solomatin A.S., Murauski An.A., Murauski Al.A., Mazaeva V.G. LCD screening of monomolecular films orienting // 6th Workshop "Metrology and Standartization in Nanotechnology and Nanoindustry", Proc, Ekaterinburg, 4-7 June 2013, Abstract, p. 37-40.
9. Konovalov V.A., Muravski A.A., Yakovenko S. Ye., Pelzl J. An Accurate Spectral Method for Measuring Twist Angle of Twisted Cells with Rubbed and Grooved Surfaces, SID Symp. Dig. Tech. Pap. 31, 1, pp. 620-623 (2000).9. Konovalov V.A., Muravski A.A., Yakovenko S. Ye., Pelzl J. An Accurate Spectral Method for Measuring with Spreads and Glues, SID Symp. Dig. Tech. Pap. 31, 1, pp. 620-623 (2000).
10. Belyaev V.V. and Mazaeva V.G. Green technologies of LC alignment on the base of organosilicon compunds, in SID'11 Digest (2011), pp. 1412-1415.10. Belyaev V.V. and Mazaeva V.G. Green technologies of LC alignment on the base of organosilicon compunds, in SID'11 Digest (2011), pp. 1412-1415.
Claims (11)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018107026A RU2686516C1 (en) | 2018-02-27 | 2018-02-27 | Measuring device for determination of preset angle and azimuthal surface energy of liquid crystal |
| PCT/RU2019/000123 WO2019168441A2 (en) | 2018-02-27 | 2019-02-26 | Measuring device for determining the pretilt angle and azimuthal surface energy of a liquid crystal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018107026A RU2686516C1 (en) | 2018-02-27 | 2018-02-27 | Measuring device for determination of preset angle and azimuthal surface energy of liquid crystal |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2686516C1 true RU2686516C1 (en) | 2019-04-29 |
Family
ID=66430357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018107026A RU2686516C1 (en) | 2018-02-27 | 2018-02-27 | Measuring device for determination of preset angle and azimuthal surface energy of liquid crystal |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2686516C1 (en) |
| WO (1) | WO2019168441A2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU94036312A (en) * | 1994-09-06 | 1997-04-27 | Н.В. Каманина | Proximate method of determination of initial inclination angle of molecules of liquid crystal |
| BY18075C1 (en) * | 2011-12-23 | 2013-04-30 | ||
| US9347742B2 (en) * | 2013-12-24 | 2016-05-24 | Deepak Varshneya | Electro-optic system for crosswind measurement |
| US20160223293A1 (en) * | 2014-11-17 | 2016-08-04 | Cubic Corporation | Rifle scope targeting display adapter mount |
-
2018
- 2018-02-27 RU RU2018107026A patent/RU2686516C1/en active
-
2019
- 2019-02-26 WO PCT/RU2019/000123 patent/WO2019168441A2/en active Application Filing
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU94036312A (en) * | 1994-09-06 | 1997-04-27 | Н.В. Каманина | Proximate method of determination of initial inclination angle of molecules of liquid crystal |
| BY18075C1 (en) * | 2011-12-23 | 2013-04-30 | ||
| US9347742B2 (en) * | 2013-12-24 | 2016-05-24 | Deepak Varshneya | Electro-optic system for crosswind measurement |
| US20160223293A1 (en) * | 2014-11-17 | 2016-08-04 | Cubic Corporation | Rifle scope targeting display adapter mount |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019168441A3 (en) | 2019-11-14 |
| WO2019168441A2 (en) | 2019-09-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Labrunie et al. | Transient behavior of the electrically controlled birefringence in a nematic liquid crystal | |
| EP1889001A2 (en) | Method and apparatus for determining liquid crystal cell parameters from full mueller matrix measurements | |
| US20180180531A1 (en) | Method and apparatus for measuring parameters of optical anisotropy | |
| JP2001356072A (en) | Pretilt angle detection method and apparatus | |
| RU2686516C1 (en) | Measuring device for determination of preset angle and azimuthal surface energy of liquid crystal | |
| Ewings et al. | Measurement of the difference in flexoelectric coefficients of nematic liquid crystals using a twisted nematic geometry | |
| Müller et al. | Director dynamics of uniformly aligned nematic liquid crystals in transient shear flow | |
| Belyaev et al. | Physical properties of stretched polymeric substrates with periodic microrelief for optical diffraction elements and liquid‐crystal alignment | |
| Tanaka et al. | Determination of director profile of twisted nematic liquid crystal cell with tilted surface alignment by renormalized transmission ellipsometry | |
| Zhou et al. | An improved stokes parameter method for determination of the cell thickness and twist angle of twisted nematic liquid crystal cells | |
| Teucher et al. | Birefringence and Optical Rotatory Dispersion of a Compensated Cholesteric Liquid Crystal | |
| Wei et al. | Characterization of a liquid crystal variable retarder by Mueller matrix ellipsometry | |
| Herke et al. | Improved representation of polarizers for LCD modeling | |
| US7389677B2 (en) | Measuring method and device for liquid crystal viscosity coefficient | |
| Panov et al. | Optical rotatory power, biaxiality, and models of chiral tilted smectic phases | |
| Kawamura et al. | Determination of anchoring energy in nematic liquid crystal cells with controllable twist angles using a Stokes parameter method | |
| JP4303075B2 (en) | Method for measuring physical properties of liquid crystalline material and apparatus for measuring physical properties of liquid crystalline material | |
| Hubbard | The Influence of Dye Solutes on the Static and Dynamic Electro-optic Properties of Nematic Mesophases | |
| KR0158045B1 (en) | Method and device for measuring cell gap thickness and twist angle of liquid crystal cell | |
| Kimura et al. | Characterization of Liquid Crystal Layer and Cholesteric Film by Renormalized Spectroscopic Ellipsometry | |
| JP3609311B2 (en) | Method and apparatus for evaluating azimuth anchoring energy of liquid crystal display element | |
| Booth | Modification and Use of a Time Resolved Raman Microprobe for Viscoelastic Studies of Liquid Crystals | |
| Hanmer | Raman spectroscopic studies of liquid crystals | |
| Nastishin | Optical TechniTues for Characterization of Distorted/iTuid Crystal | |
| Kitamura et al. | New measuring method for determining alignment parameters in twisted‐nematic and super‐twisted‐nematic cells |