TW201326789A - 液晶胞特性測定裝置以及液晶胞特性測定方法 - Google Patents

Abstract

一種液晶胞特性測定裝置，包括：光源、至少三個偏光產生器、至少三個物鏡、至少三個偏光分析器以及資料處理器。每一偏光產生器從光源取出具有特定偏光成分的偏光光線，每一偏光光線以傾斜入射角度投射到液晶胞。每一物鏡以設定的收光角度而接收透射過液晶胞的每一偏光光線，收光角度對應於傾斜入射角度。每一偏光分析器取得來自於每一物鏡的偏光光線的偏光強度。資料處理器根據至少三個收光角度中的每一偏光光線的偏光強度，而至少能計算液晶胞的厚度或液晶胞內的液晶分子的預傾角。此外，還提出液晶胞特性測定方法。

Description

液晶胞特性測定裝置以及液晶胞特性測定方法

本發明是有關於一種液晶胞特性測定裝置與液晶胞特性測定方法，且特別是有關於一種能夠準確測定子像素(sub-pixel)內的液晶厚度與預傾角的液晶胞特性測定裝置與液晶胞特性測定方法。

液晶顯示面板被廣泛地應用於各種需要顯示影像的電子產品中。液晶在液晶顯示面板扮演著光學開關的角色。由於液晶的特性(如液晶厚度、液晶分子的預傾角等)直接影響到影像品質的優劣、以及液晶顯示面板的製造良率等，所以需要對於液晶的特性進行監控。

先前的技術是針對液晶顯示面板的數個毫米區域進行監控，以取得液晶特性的平均值。舉例而言，在多域垂直配向型(Multi-domain Vertical Alignment,MVA)液晶顯示面板中，通常假設預傾角為90度、並假設為液晶為單一晶體結構，因為液晶顯示面板的偶數個配向域(Domain)內之平均預傾角接近90度。然而，在微觀的角度之下，液晶顯示面板的子像素(液晶胞)內的液晶分子會受到配向特性之影響，亦即：各個子像素的表現出的預傾角以及厚度會有極大的變異。此時，惟有同時考慮參數之間的相互影響，才能準確測定液晶厚度和預傾角。

例如，美國專利公告號US6317208、US6473180以及US6490039所揭露的液晶顯示面板的預傾角之測定裝置，乃是基於測定裝置內含的四分之一波片來進行設定。亦即，將樣品進行旋轉時引入穿透光的不對稱性，進而擬合出預傾角。此方法的優點在於僅需正向入射測定光線、且機構設計簡單。然而，此方法不適用於小扭轉角(twist angle)之液晶顯示面板(如：π cell)。

另外，又如美國專利公告號US6822737所揭露的液晶顯示面板的預傾角測定裝置，提出：利用相位差數值理論模型，來測定扭轉向列型(twisted nematic)液晶顯示面板的方法，亦即：利用小傾斜角度下之理論模型擬合相位差方法，來求解預傾角和液晶厚度。然而，此方法容易引入較大的誤差。

由上述可知，研究一種機構簡單、且能量測高解析度的液晶顯示面板的液晶特性的測定裝置與測定方法是必要的發展趨勢。

有鑑於此，本發明提供一種液晶胞特性測定裝置，具有簡單的機構設計，能夠快速地、準確地對於單一子像素(液晶胞)的液晶特性(至少為液晶厚度(cell gap)與預傾角(pretilt angle))進行測定。

本發明提供一種液晶胞特性測定方法，能夠快速地、準確地對於單一子像素(液晶胞)的液晶特性(至少為液晶厚度與預傾角)進行測定。

本發明提出一種液晶胞特性測定裝置，至少能測定該液晶胞的厚度或該液晶胞內的液晶分子的預傾角，該液晶胞特性測定裝置包括：光源、至少三個偏光產生器、至少三個物鏡、至少三個偏光分析器以及資料處理器。每一偏光產生器從該光源取出具有特定偏光成分的一偏光光線，每一偏光光線以一傾斜入射角度投射到該液晶胞。每一物鏡以設定的一收光角度而接收透射過該液晶胞的每一偏光光線，該收光角度對應於該傾斜入射角度。每一偏光分析器取得來自於每一物鏡的該偏光光線的偏光強度。資料處理器根據至少三個收光角度中的每一偏光光線的偏光強度，而計算該液晶胞的厚度或該液晶胞內的液晶分子的預傾角。

本發明還提出一種液晶胞特性測定方法，至少能測定該液晶胞的厚度或該液晶胞內的液晶分子的預傾角，該液晶胞特性測定方法可包括以下步驟。首先，從一光源取出具有特定偏光成分的至少三條偏光光線。接著，使每一偏光光線以一傾斜入射角度投射到該液晶胞。再來，提供至少三個物鏡，每一物鏡以設定的一收光角度而接收透射過該液晶胞的每一偏光光線，該收光角度對應於該傾斜入射角度。繼之，提供至少三個偏光分析器，每一偏光分析器取得來自於每一物鏡的該偏光光線的偏光強度。之後，提供一資料處理器，根據至少三個收光角度中的每一偏光光線的偏光強度，而計算該液晶胞的厚度或該液晶胞內的液晶分子的預傾角。

基於上述，本發明的液晶胞特性測定裝置以及液晶胞特性測定方法使用：傾斜設置的偏光產生器、物鏡以及偏光分析器，可以取出透射過液晶胞之不同偏振特性之光強度。如此一來，可以針對子像素內的單一個空間點進行液晶厚度與預傾角的準確測定。

換言之，基於傾斜設置的至少三個偏光產生器和至少三個偏光分析器，以三個偏光產生器投射不同偏振態之偏光光線到液晶胞上。再根據至少三個收光角度中的每一偏光光線的偏光強度，而計算該液晶胞的厚度或該液晶胞內的液晶分子的預傾角。例如，以相對應之三個偏光分析器所組成的不同偏光特性所取出的光譜強度計算相位差，進而擬合全光譜之相位差資訊，再藉由已知的非尋常光液晶折射率ne和尋常光液晶折射率no，即可測定液晶厚度及預傾角，且可應用於各種配向型態之液晶顯示面板的測定。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本發明的液晶胞特性測定裝置以及液晶胞特性測定方法，可實現單一子像素之液晶特性的測定。根據至少三個收光角度中的每一偏光光線的偏光強度，而計算該液晶胞的厚度或該液晶胞內的液晶分子的預傾角。

例如，可利用已知的光譜訊號來計算相位差資訊，再透過柯西方程式(Cauchy’s Equation)擬合相位差資訊。由所測定到之透射液晶胞之至少三個收光角度的相位差、以及已知波長的折射率(ne以及no)，可推算單一子像素(液晶胞)的液晶厚度與預傾角。或者，在一些光學條件為已知的前提之下，也可直接利用偏光光線的偏光強度來計算液晶厚度以及預傾角。

本發明的液晶胞特性測定裝置以及液晶胞特性測定方法適合用在線上(on-line)單一子像素的液晶厚度與預傾角之測定，以即時反應到液晶顯示面板的製程參數調整。

再者，本發明的三個物鏡是測定同一空間位置，能夠進行單一子像素內之單點量測，以滿足高空間解析度的需求。並且，三個物鏡可以大幅簡化傾斜機構以及定位機構設計的難度。

以下，參照圖式詳細說明本發明的液晶胞特性測定裝置以及液晶胞特性測定方法的多個實施例。

[液晶胞特性測定裝置]

圖1為本發明實施例的一種液晶胞特性測定裝置的示意圖。液晶胞特性測定裝置500至少能測定液晶胞300的厚度或液晶胞300內的液晶分子(未繪示)的預傾角。請參照圖1，液晶胞特性測定裝置500包括：光源101、至少三個偏光產生器105、至少三個物鏡106、至少三個偏光分析器107以及資料處理器200。

每一偏光產生器105從光源101取出具有特定偏光成分的偏光光線111，每一偏光光線111以傾斜入射角度投射到液晶胞300。每一物鏡106以設定的收光角度而接收透射過液晶胞300的每一偏光光線112，收光角度對應於傾斜入射角度。每一偏光分析器107取得來自於每一物鏡106的偏光光線112的偏光強度。資料處理器200根據至少三個收光角度中的每一偏光光線112的偏光強度，而計算液晶胞300的厚度或液晶胞300內的液晶分子的預傾角。

上述的特定偏光成分可以是：線偏光、圓偏光或橢圓偏光。偏光產生器105可以是起偏器(未繪示)，偏光產生器105也可以是起偏器以及相位差調制器(未繪示)的組合，且相位差調制器設置於起偏器的光學下游側。由於起偏器與相位差調制器為本技術領域具有通常知識者可理解，可藉此得到具有偏光成分的偏光光線，在此即不予以贅述起偏器與相位差調制器的詳細內容。

類似地，偏光分析器107可以是檢偏器(未繪示)，偏光分析器107也可以是相位差調制器以及檢偏器的組合，且相位差調制器設置於檢偏器的光學上游側。由於檢偏器與相位差調制器為本技術領域具有通常知識者可理解，可藉此檢測具有偏光成分的偏光光線，在此即不予以贅述檢偏器與相位差調制器的詳細內容。

繼續參照圖1可知，液晶胞特性測定裝置500利用至少三個傾斜設置的偏光產生器105，來提供具有傾斜入射角度的偏光光線111。在偏光光線111穿透液晶胞300之後，藉由在對應傾斜入射角度的收光角度的位置所設置的物鏡106以及偏光分析器107，來對於透射的偏光光線112進行分析，例如：可進行透射的偏光光線112的相位差的分析。

以往的液晶特性測定裝置並未採用本發明的傾斜設計，因此，當需要取得傾斜入射角度方向上的光學資訊時，需要將液晶特性測定裝置的量測單元進行大角度的旋轉，以調整到傾斜入射角度的方向上。簡言之，另外需要設置複雜的傾斜機構以及定位機構，來調整量測單元的傾斜方向與角度，整體的結構是複雜的。

然而，在本發明的實施例中，藉由使偏光產生器105、物鏡106與偏光分析器107直接為傾斜的設計，即可直接取得在傾斜入射角度方向上的液晶胞300的光學資訊，也不需對於偏光產生器105、物鏡106與偏光分析器107進行大角度的旋轉，所以，本發明的實施例的液晶胞特性測定裝置500不需進一步設置複雜的傾斜機構以及定位機構，而能簡化整體的機構設計。

另外，由於三個物鏡106是測定液晶胞300的同一空間位置，亦即，三個物鏡106取得來自於液晶胞300的同一個空間位置(單點)的光學資訊，所以，能夠進行單一子像素內的單點空間的量測，以滿足高解析度的液晶顯示面板的量測需求。

請再參照圖1，至少三個收光角度可以是以下幾種設定方式，第一種設定方式是：使三個收光角度分別等於90度、大於90度以及小於90度。第二種設定方式是：使二個收光角度大於等於90度、且一個收光角度小於90度。第三種設定方式是：使一個收光角度大於等於90度、且二個收光角度小於90度。藉由上述的收光角度設定方式，可以使三個物鏡106緊湊設置、並且能設定在所需要的收光角度，以取得在設定的收光角度方向上的光學資訊。

雖然圖1未繪示，但液晶胞特性測定裝置500還可包括入射角度設定器(未繪示)以及收光角度設定器。入射角度設定器能夠調整偏光光線111到所需的傾斜入射角度，而收光角度設定器(未繪示)能夠調整物鏡106到所需的收光角度、且對應於偏光光線111的傾斜入射角度。

請參照圖1，液晶胞特性測定裝置500還可包括：至少三個第一導光元件103，以及至少三個準直透鏡104。每一第一導光元件103光學地連接於光源101、且分別從光源101取得光線。每一準直透鏡104光學地連接於每一第一導光元件103，每一準直透鏡104使得每一光線成為準直光線而入射每一偏光產生器105。

第一導光元件103可以採用光纖，使來自光源101的光線在光纖內傳輸。準直透鏡104則使來自於第一導光元件103的光線準直化。藉由上述第一導光元件103以及至少三個準直透鏡104，可依設計需要來設定從光源101到偏光產生器105之間的光線傳輸路徑。

請參照圖1，液晶胞特性測定裝置500還可包括：至少三個成像透鏡108，每一成像透鏡108設置於每一偏光分析器107的光學下游側，接收來自每一偏光分析器107的每一偏光光線112。藉由上述成像透鏡108，可以有效地收集來自於偏光分析器107的偏光光線112，以利於傳送到後述的光接收模組109。

液晶胞特性測定裝置500可包括：至少三個光接收模組109，每一光接收模組109設置於每一偏光分析器107的光學下游側，每一光接收模組109取得來自於每一偏光分析器107的偏光光線112的光強度。

另外，液晶胞特性測定裝置500還可包括：至少三個第二導光元件115，每一第二導光元件115光學地連接於每一光接收模組109。同樣地，第二導光元件115可以採用光纖，使來自偏光光線112在光纖內傳輸。藉由上述第二導光元件115的設置，可依設計需要來設定從光接收模組109到後續多波長光譜儀模組116之間的光線傳輸路徑。

請參照圖1，液晶胞特性測定裝置500可包括：多波長光譜儀模組116，光學地連接於每一第二導光元件115與資料處理器200之間。多波長光譜儀模組116可以測定多波長之光強度，在進一步將光學訊號轉成電子訊號，並透過傳輸線110而傳輸到資料處理裝置200。

總而言之，圖1所示的液晶胞特性測定裝置500中，可將光源101之光分為三道準直光束。偏光產生器105取出平行光之偏振態，以各別所設定的傾斜入射角度之偏光光線111投射至待測的液晶胞300。由物鏡106分別接收透射過液晶胞300、且相應之傾斜的收光角度的偏光光線112。在此，圖1的三個物鏡106(由右至左)分別設定為50度，90度以及140度。由偏光分析器107使特定偏振態之偏振光線112通過。由成像透鏡108使具有特定偏振態的偏振光線112成像到光接收模組109。再經由導光元件115使具有特定偏振態的偏振光線112進入多波長光譜儀模組116，以測定多波長之光強度，該光強度的電子訊號繼而透過傳輸線110進入資料處理裝置200。如此一來，將可獲得液晶厚度及預傾角資訊。

圖2為圖1的液晶胞特性測定裝置中，在一條偏光光線的光徑上的光學元件的詳細設置方式的示意圖。請同時參照圖1與圖2，大致上兩者的光學元件的設置方式是相同的。可注意到，如圖2所示，每一光接收模組109還可包括：孔徑鏡片411、聚焦透鏡412、消色差透鏡114以及光學感測器402。

請參照圖2，通過每一偏光分析器107的偏光光線112的第一部份112A通過孔徑鏡片411而在第一光徑上傳輸、且偏光光線112的第二部份112B被孔徑鏡片411反射而在第二光徑上傳輸，第一光徑約略垂直於第二光徑；聚焦透鏡412設置於第一光徑上、接收偏光光線112的第一部份112A，且將偏光光線112的第一部份112A往資料處理器200傳輸。消色差透鏡114設置於第二光徑上、接收偏光光線112的第二部份112B。光學感測器402設置於第二光徑上，感測經過消色差透鏡114的偏光光線112的第二部份112B。

請參照圖2，以理解光線經過這些光學元件的詳細過程。首先，利用偏光產生器105取出具有平行光之偏振態的偏光光線111，並將偏光光線111投射到待測的液晶胞300。由物鏡106接收透射過液晶胞300之相應傾斜角度的偏光光線112。繼之，由偏光分析器107使特定偏振態之偏光光線112通過，且由成像透鏡108使偏光光線112成像到光接收模組109內。

可注意到，光接收模組109包含孔徑鏡片411。孔徑鏡片411的作法例如是：可將玻璃上鍍鋁、並蝕刻孔徑。並且，可由消色差透鏡114將在孔徑鏡片411上的影像成像到光學感測器402上。光學感測器402可以是面型電荷耦合元件(area CCD)。在本實施例中，光學感測器402主要作為影像對焦或是定位之用途，亦可用作待測的液晶胞300的光學特性測定用途。

透過孔徑鏡片411的偏光光線112的第一部份112A，在本實施例中將作為測定液晶分子的預傾角及液晶厚度之用途。可經由聚焦透鏡412使偏光光線112的第一部份112A入射到導光元件115，繼而進入多波長光譜儀模組116以測定多波長之光強度。電子訊號透過傳輸線110再進入資料處理裝置200，如此一來，將可獲得單一子像素之液晶預傾角及液晶厚度資訊。

圖3為本發明另一實施例的液晶胞特性測定裝置的示意圖。請參照圖3，液晶胞特性測定裝置502大致上與圖1所示的液晶胞特性測定裝置500類似，相同的元件標示以相同的符號，並不再贅述。

可注意到，液晶胞特性測定裝置502包括：光譜分光模組102，設置於光源101與偏光產生器105之間。也就是說，在圖3的實施例中，利用光譜分光模組102從光源101取出特定波長的光線以進行後續的液晶特性量測，並且，圖3的光接收模組117是用於量測特定波長的偏光光線112。相較於此，圖2中的實施例是從光源101取出多波長的光線以進行後續的液晶特性量測，並且，圖2的光接收模組109可量測多波長的偏光光線112。

進一步而言，請參照圖3以理解光線經過這些光學元件的詳細過程。圖3的光譜分光模組102通常是使用單光儀(monochromator)或是波長選擇之元件，例如是濾光片或是液晶波長選擇濾光片(liquid crystal tunable filter)以取得特定波長的光。第一導光元件103以及準直透鏡104將特定波長之光分為三道準直光束。偏光產生器105取出平行光之偏振態，以各別所設定的傾斜入射角度之偏光光線111投射至待測的液晶胞300。由物鏡106分別接收透射過液晶胞300、且相應之傾斜的收光角度的偏光光線112。由偏光分析器107使特定偏振態之偏振光線112通過。由成像透鏡108使具有特定偏振態的偏振光線112成像到光接收模組117，以測定特定波長之光強度。光接收模組117通常可以包含：面型電荷耦合元件，或是包含：光二極體(photodiode)連結電流計(current meter)的結構，以將光強度轉換為電子訊號。最後，電子訊號經由傳輸線110進入資料處理裝置200。如此一來，將可獲得液晶胞300的液晶預傾角及液晶厚度資訊。

在上述圖1～圖3的實施例中，描述了：液晶胞特性測定裝置500、502至少能測定液晶胞300的厚度或液晶胞300內的液晶分子的預傾角。然而，液晶胞特性測定裝置500、502還能夠得知其他的液晶胞特性，例如：還可藉由分析所測得的資訊來計算液晶分子的旋轉角(twist angle)、或得知液晶胞300的配向方向(rubbing direction)。

另外，在上述圖1～圖3的實施例中，僅描述三個傾斜的偏光產生器105、物鏡106與偏光分析器107的設計，然而，並不限於此，還可以是三個以上的設計，以進一步取得液晶胞300更多的光學資訊，提昇量測的精密度。

再者，至少可以將傾斜設置的偏光產生器105、物鏡106與偏光分析器107設計成模組化的設計，亦即：將偏光產生器105、物鏡106與偏光分析器107製作成單一個光學量測模組。如此一來，可以將模組化的光學量測模組適用在各種液晶特性光學量測機台上，有利於機台的組裝與設計的簡化。

圖4(a)~(c)為利用本發明實施例的液晶胞特性測定裝置，來測定三種液晶顯示面板的子像素(液晶胞)的液晶特性的示意圖。圖4(a)~(c)顯示出本發明實施例的液晶胞特性測定裝置500、502可以應用在多種液晶顯示面板的量測上。

請參照圖4(a)，對於共平面切換式液晶顯示面板(In plane switching,IPS)而言，IPS液晶顯示面板的預傾角約為0～3度。三個探頭D的傾斜方向是沿著IPS液晶顯示面板的配向方向RD(rubbing direction)。

請參照圖4(b)，對於小扭轉角之液晶顯示面板(π-cell)而言，π-cell結構上的相位差對稱相抵消，三個探頭D的傾斜方向沿著π-cell結構的配向方向。可以利用數值擬合求解出液晶厚度與預傾角。

請參照圖4(c)，對於扭轉向列式液晶顯示面板(twisted nematic,TN)而言，三個探頭D的排列方式配合著液晶分子的扭轉而轉了90度，而位於圖4(c)的垂直方向上，如此能夠測定預傾角之特性。

另外，雖未繪示多域垂直配向型(Multi-domain Vertical Alignment,MVA)液晶顯示面板，但本發明實施例的液晶胞特性測定裝置500、502也可測定多域垂直配向型液晶顯示面板的液晶胞的液晶特性。在多域垂直配向型液晶顯示面板中，常以脊狀結構(protrusion)或是高分子配向，液晶排列類似於：接近90度預傾角的IPS結構。因此，可採用類似於IPS液晶顯示面板的方式，來設置三個探頭D的傾斜角度及沿著配向方向RD的方式，來測定MVA液晶顯示面板。

上述的探頭D可以是圖1所示的物鏡106、偏光分析器107、成像透鏡108、光接收模組109的組合，也可以是圖3所示的106、偏光分析器107、成像透鏡108、光接收模組117的組合。

以下將繼續描述本發明的液晶胞特性測定方法的實施方式。

[液晶胞特性測定方法]

請配合圖1，以理解本發明實施例的液晶胞特性測定方法。此液晶胞特性測定方法至少能測定液晶胞的厚度或液晶胞內的液晶分子的預傾角。首先，從光源101取出具有特定偏光成分的至少三條偏光光線111。接著，使每一偏光光線111以傾斜入射角度投射到液晶胞300。再來，提供至少三個物鏡106，每一物鏡106以設定的收光角度而接收透射過液晶胞300的每一偏光光線112，收光角度對應於傾斜入射角度。繼之，提供至少三個偏光分析器107，每一偏光分析器107取得來自於每一物鏡106的偏光光線112的偏光強度。之後，提供資料處理器200，根據至少三個收光角度中的每一偏光光線112的偏光強度，而計算液晶胞300的厚度、或液晶胞300內的液晶分子的預傾角。

關於液晶胞特性測定方法中所使用到的各種光學元件、傾斜入射角度的設定方式、使用偏光光線的種類等等，已經於上述的液晶胞特性測定裝置500、502描述過，在此即不予以重述。以下，進一步描述液晶胞特性測定方法的測定步驟。

圖5為本發明一實施例的液晶胞特性測定方法的測定步驟的流程圖。請參照圖5，此液晶胞特性測定方法600包括步驟S11～S17。在此實施例中，根據至少三個收光角度中的每一偏光光線112的偏光強度，且利用擬合相位差的方式，而計算液晶胞300的厚度、或液晶胞300內的液晶分子的預傾角。

首先，在步驟S11中，輸入已知波長的液晶折射率ne、no，其中，ne為非尋常光液晶折射率(即液晶光軸方向的折射率)，no為尋常光液晶折射率(即垂直液晶光軸方向的折射率)。

在步驟S12中，如圖4之其中之一的探頭D作影像對焦(image focusing)，確認成像為最清晰。

接著，在步驟S13中，需使用影像處理確認三個探頭D各自量測的液晶胞300的空間位置為共點。

接著，在步驟S14中，測定三個各自的探頭D所量得的光強度訊號。

再來，於步驟S15中，計算各別(波長)之相位差。

繼之，於步驟S16中，以柯西方程式(式(1))擬合各波長對應之相位差，

其中，λ為波長，A和B為所需擬合係數。

藉此，可獲得全光譜之相位差，且步驟S16可解決彩色濾光片之有限穿透光譜和液晶折射率無法對應的問題。

之後，在步驟S17，輸出最小誤差之液晶厚度與預傾角結果。藉由以下的式(2)~(5)來進行相關的計算，

式(2)表示：各別之液晶分子累加後的相位；且式(2)中的δ_e,j以式(3)來表示，式(2)中的δ_o,j以式(4)來表示：

其中，n _{e , j} 為非尋常光傾斜後之等效折射率，n _{o , j} 為尋常光傾斜後之等效折射率，d為液晶分子厚度。

而最小誤差的計算方式可以依照式(5)來計算：

其中，δ _s (j)是相應傾斜角度的理論值，當S.D.為最小時即為最小誤差解。

當然，上述式(1)～式(5)是採用三個探頭D的時候的計算方式，本領域技術人員參照本案的說明書之後，可以任意根據所使用的探頭數量(即多個探頭所取得的光學資訊的總數量)來進行相關的計算，以得到液晶胞的預傾角、液晶厚度或其他液晶特性。

另外，在其他的實施例中，除了採用上述擬合相位差的方式，還可直接利用偏光光線的偏光強度來計算液晶胞的預傾角、液晶厚度或其他液晶特性，藉由以下的式(6)~(8)來進行相關的計算，說明如下：當液晶折射率相應於紅色子像素R、綠色子像素G以及藍色子像素B都是已知，可直接使用偏光光線的偏光強度來計算液晶胞的預傾角、液晶厚度，詳細而言：液晶胞的矩陣描述式如式(6)所示：

所使用的偏光產生器、偏光分析器等元件可具有已知的設定條件，其中，起偏器以符號P1代表、相位差調制器以符號C代表、檢偏器以符號P2代表。

在此例子中，光線依序通過起偏器P1、液晶胞(即液晶胞的矩陣M)、相位調制器C、檢偏器P2，藉此可推導出光線通過的光強度I _E 之表示式(7)

I _E =|P2‧C‧M‧P1|².....................式(7)

接著，最小誤差的計算方式可以依照式(8)來計算：

其中，I _s (j)是相應傾斜角度的偏光強度理論值，當S.D.為最小時，即為最小誤差解。由此，可直接利用偏光光線的偏光強度來計算最小誤差之液晶厚度與預傾角結果。

圖6為利用本發明實施例的液晶胞特性測定裝置以及液晶胞特性測定方法對於圖案垂直配向(patterned vertical alignment,PVA)式液晶顯示面板的單一子像素進行液晶特性(液晶厚度、預傾角)的測定的實際量測圖。

請參照圖6，液晶胞特性測定裝置500、502可以量測紅色子像素R、綠色子像素G以及藍色子像素B任何一個之內的單一個點的液晶特性。如圖6所示，量測綠色子像素G內的12個空間點P，而得到圖6所示的圖表。在圖6的圖表中，左方的縱軸代表液晶厚度(nm)，右方的縱軸代表預傾角(°)，橫軸則代表子像素內的12個空間點P的相對位置。如圖6所示，曲線C1表示各個空間點P的液晶厚度，曲線C2表示各個空間點P的預傾角。

由圖6可知，本發明實施例的液晶胞特性測定裝置500、502可以量測單一子像素中的任一個空間點P，並且至少能同時計算液晶厚度和預傾角，而能夠快速地、準確地量測液晶特性，滿足高解析度液晶顯示面板的量測需求。

綜上所述，本發明的液晶胞特性測定裝置以及液晶胞特性測定方法至少具有以下優點：使用傾斜設置的偏光產生器、物鏡以及偏光分析器，可以取出透射過液晶胞之不同偏振特性之光強度。如此，可針對子像素內的單一個空間點進行液晶厚度與預傾角的準確測定。採用至少三個探頭的精簡結構搭配傾斜的設置方式，能夠大幅簡化機構設計的難度、並提升可靠度，另外，基於傾斜設置的至少三個偏光產生器和至少三個偏光分析器，以三個偏光產生器投射不同偏振態之偏光光線到液晶胞上。例如，可以相對應之三個偏光分析器所組成的不同偏光特性所取出的光譜強度計算相位差，進而擬合全光譜之相位差資訊。再藉由已知的非尋常光液晶折射率ne和尋常光液晶折射率no，即可測定液晶厚度及預傾角，且可應用於各種配向型態之液晶顯示面板的測定。亦即，利用偏光光線的光譜來擬合相位差，以估算子像素的液晶特性的技術方案，可以同步計算液晶厚度以及預傾角，可增加速度和準確性。另外，在上述的一些光學條件為已知的前提之下，也可直接利用偏光光線的偏光強度來計算液晶厚度以及預傾角。

本發明的液晶胞特性測定裝置以及液晶胞特性測定方法可解析不同類型液晶模態(如IPS、TN、MVA等)的光學特性，能夠進一步滿足產業需求。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

101．．．光源

102．．．光譜分光模組

103．．．第一導光元件

104．．．準直透鏡

105．．．偏光產生器

106．．．物鏡

107．．．偏光分析器

108．．．成像透鏡

109、117．．．光接收模組

110．．．傳輸線

111、112．．．偏光光線

112A．．．偏光光線的第一部份

112B．．．偏光光線的第二部份

114．．．消色差透鏡

115．．．第二導光元件

116．．．多波長光譜儀模組

200．．．資料處理器

300．．．液晶胞

402．．．光學感測器

411．．．孔徑鏡片

412．．．聚焦透鏡

500、502．．．液晶胞特性測定裝置

600．．．液晶胞特性測定方法

B．．．藍色子像素

C1、C2．．．曲線

D．．．探頭

G．．．綠色子像素

P．．．空間點

R．．．紅色子像素

RD．．．配向方向

S11～S17．．．步驟

P1．．．起偏器

P2．．．檢偏器

C．．．相位差調制器

圖1為本發明實施例的一種液晶胞特性測定裝置的示意圖。

圖2為圖1的液晶胞特性測定裝置中，在一條偏光光線的光徑上的光學元件的詳細設置方式的示意圖。

圖3為本發明另一實施例的液晶胞特性測定裝置的示意圖。

圖4(a)~(c)為利用本發明實施例的液晶胞特性測定裝置來測定三種液晶顯示面板的子像素(液晶胞)的液晶特性的示意圖。

圖5為本發明一實施例的液晶胞特性測定方法的測定步驟的流程圖。

圖6為利用本發明實施例的液晶胞特性測定裝置以及液晶胞特性測定方法對於圖案垂直配向(patterned vertical alignment,PVA)式液晶顯示面板的單一子像素進行液晶特性(液晶厚度、預傾角)的測定的實際量測圖。

101．．．光源

103．．．第一導光元件

104．．．準直透鏡

105．．．偏光產生器

106．．．物鏡

107．．．偏光分析器

108．．．成像透鏡

109．．．光接收模組

110．．．傳輸線

111、112．．．偏光光線

115．．．第二導光元件

116．．．多波長光譜儀模組

200．．．資料處理器

300．．．液晶胞

Claims (34)

1. 一種液晶胞特性測定裝置，至少能測定該液晶胞的厚度或該液晶胞內的液晶分子的預傾角，該液晶胞特性測定裝置包括：一光源；至少三個偏光產生器，每一偏光產生器從該光源取出具有特定偏光成分的一偏光光線，每一偏光光線以一傾斜入射角度投射到該液晶胞；至少三個物鏡，每一物鏡以設定的一收光角度而接收透射過該液晶胞的每一偏光光線，該收光角度對應於該傾斜入射角度；至少三個偏光分析器，每一偏光分析器取得來自於每一物鏡的該偏光光線的偏光強度；以及一資料處理器，根據至少三個收光角度中的每一偏光光線的偏光強度，而計算該液晶胞的厚度或該液晶胞內的液晶分子的預傾角。
2. 如申請專利範圍第1項所述的液晶胞特性測定裝置，其中，至少三個該收光角度分別為：等於90度、大於90度以及小於90度。
3. 如申請專利範圍第1項所述的液晶胞特性測定裝置，其中，至少三個該收光角度分別為：二個該收光角度大於等於90度、且一個該收光角度小於90度。
4. 如申請專利範圍第1項所述的液晶胞特性測定裝置，其中，至少三個該收光角度分別為：一個該收光角度大於等於90度、且二個該收光角度小於90度。
5. 如申請專利範圍第1項的液晶胞特性測定裝置，更包括：至少三個第一導光元件，光學地連接於該光源、且分別從該光源取得一光線；以及至少三個準直透鏡，每一準直透鏡光學地連接於每一第一導光元件，每一準直透鏡使得每一光線成為一準直光線而入射每一偏光產生器。
6. 如申請專利範圍第1項的液晶胞特性測定裝置，更包括：至少三個成像透鏡，每一成像透鏡設置於每一偏光分析器的一光學下游側，接收來自每一偏光分析器的每一偏光光線。
7. 如申請專利範圍第1項的液晶胞特性測定裝置，更包括：至少三個光接收模組，每一光接收模組設置於每一偏光分析器的一光學下游側，每一光接收模組取得來自於每一偏光分析器的該偏光光線的光強度。
8. 如申請專利範圍第7項的液晶胞特性測定裝置，更包括：至少三個第二導光元件，每一第二導光元件光學地連接於每一光接收模組。
9. 如申請專利範圍第8項的液晶胞特性測定裝置，更包括：一多波長光譜儀模組，光學地連接於每一第二導光元件與該資料處理器之間。
10. 如申請專利範圍第7項的液晶胞特性測定裝置，其中，每一光接收模組包括：一孔徑鏡片，通過每一偏光分析器的該偏光光線的一第一部份通過該孔徑鏡片而在一第一光徑上傳輸、且該偏光光線的一第二部份被該孔徑鏡片反射而在一第二光徑上傳輸，該第一光徑垂直於該第二光徑；一聚焦透鏡，設置於該第一光徑上、接收該偏光光線的該第一部份，且將該偏光光線的該第一部份往該資料處理器傳輸；一消色差透鏡，設置於該第二光徑上、接收該偏光光線的該第二部份；以及一光學感測器，設置於該第二光徑上，感測經過該消色差透鏡的該偏光光線的該第二部份。
11. 如申請專利範圍第1項的液晶胞特性測定裝置，更包括：一光譜分光模組，設置於該光源與該些偏光產生器之間。
12. 如申請專利範圍第1項的液晶胞特性測定裝置，其中，該特定偏光成分包括：線偏光、圓偏光或橢圓偏光。
13. 如申請專利範圍第1項所述的液晶胞特性測定裝置，其中，該偏光產生器包括：一起偏器。
14. 如申請專利範圍第1項所述的液晶胞特性測定裝置，其中，該偏光產生器包括：一起偏器以及一相位差調制器，該相位差調制器設置於該起偏器的一光學下游側。
15. 如申請專利範圍第1項所述的液晶胞特性測定裝置，其中，該偏光分析器包括：一檢偏器。
16. 如申請專利範圍第1項所述的液晶胞特性測定裝置，其中，該偏光分析器包括：一相位差調制器以及一檢偏器，該相位差調制器設置於該檢偏器的一光學上游側。
17. 如申請專利範圍第1項所述的液晶胞特性測定裝置，其中，該資料處理器根據至少三個收光角度中的每一偏光光線的偏光強度來擬合(Fitting)相位差，而計算該液晶胞的厚度或該液晶胞內的液晶分子的預傾角。
18. 一種液晶胞特性測定方法，至少能測定該液晶胞的厚度或該液晶胞內的液晶分子的預傾角，該液晶胞特性測定方法包括：從一光源取出具有特定偏光成分的至少三條偏光光線；使每一偏光光線以一傾斜入射角度投射到該液晶胞；提供至少三個物鏡，每一物鏡以設定的一收光角度而接收透射過該液晶胞的每一偏光光線，該收光角度對應於該傾斜入射角度；提供至少三個偏光分析器，每一偏光分析器取得來自於每一物鏡的該偏光光線的偏光強度；以及提供一資料處理器，根據至少三個收光角度中的每一偏光光線的偏光強度，而計算該液晶胞的厚度或該液晶胞內的液晶分子的預傾角。
19. 如申請專利範圍第18項所述的液晶胞特性測定方法，其中，至少三個該收光角度分別為：等於90度、大於90度以及小於90度。
20. 如申請專利範圍第18項所述的液晶胞特性測定方法，其中，至少三個該收光角度分別為：二個該收光角度大於等於90度、且一個該收光角度小於90度。
21. 如申請專利範圍第18項所述的液晶胞特性測定方法，其中，至少三個該收光角度分別為：一個該收光角度大於等於90度、且二個該收光角度小於90度。
22. 如申請專利範圍第18項的液晶胞特性測定方法，更包括：提供至少三個第一導光元件，光學地連接於該光源、且分別從該光源取得一光線；以及提供至少三個準直透鏡，每一準直透鏡光學地連接於每一第一導光元件，每一準直透鏡使得每一光線成為一準直光線而入射每一偏光產生器。
23. 如申請專利範圍第18項的液晶胞特性測定方法，更包括：提供至少三個成像透鏡，每一成像透鏡設置於每一偏光分析器的一光學下游側，接收來自每一偏光分析器的每一偏光光線。
24. 如申請專利範圍第18項的液晶胞特性測定方法，更包括：提供至少三個光接收模組，每一光接收模組設置於每一偏光分析器的一光學下游側，每一光接收模組取得來自於每一偏光分析器的該偏光光線的光強度。
25. 如申請專利範圍第24項的液晶胞特性測定方法，更包括：提供至少三個第二導光元件，每一第二導光元件光學地連接於每一光接收模組。
26. 如申請專利範圍第25項的液晶胞特性測定方法，更包括：提供一多波長光譜儀模組，光學地連接於每一第二導光元件與該資料處理器之間。
27. 如申請專利範圍第24項的液晶胞特性測定方法，其中，每一光接收模組包括：一孔徑鏡片，通過每一偏光分析器的該偏光光線的一第一部份通過該孔徑鏡片而在一第一光徑上傳輸、且該偏光光線的一第二部份被該孔徑鏡片反射而在一第二光徑上傳輸，該第一光徑垂直於該第二光徑；一聚焦透鏡，設置於該第一光徑上、接收該偏光光線的該第一部份，且將該偏光光線的該第一部份往該資料處理器傳輸；一消色差透鏡，設置於該第二光徑上、接收該偏光光線的該第二部份；以及一光學感測器，設置於該第二光徑上，感測經過該消色差透鏡的該偏光光線的該第二部份。
28. 如申請專利範圍第18項的液晶胞特性測定方法，更包括：提供一光譜分光模組，設置於該光源與該些偏光產生器之間。
29. 如申請專利範圍第18項的液晶胞特性測定方法，其中，該特定偏光成分包括：線偏光、圓偏光或橢圓偏光。
30. 如申請專利範圍第18項所述的液晶胞特性測定方法，其中，該偏光產生器包括：一起偏器。
31. 如申請專利範圍第18項所述的液晶胞特性測定方法，其中，該偏光產生器包括：一起偏器以及一相位差調制器，該相位差調制器設置於該起偏器的一光學下游側。
32. 如申請專利範圍第18項所述的液晶胞特性測定方法，其中，該偏光分析器包括：一檢偏器。
33. 如申請專利範圍第17項所述的液晶胞特性測定方法，其中，該偏光分析器包括：一相位差調制器以及一檢偏器，該相位差調制器設置於該檢偏器的一光學上游側。
34. 如申請專利範圍第17項所述的液晶胞特性測定方法，其中，該資料處理器根據至少三個收光角度中的每一偏光光線的偏光強度來擬合(Fitting)相位差，而計算該液晶胞的厚度或該液晶胞內的液晶分子的預傾角。