TWI405959B - 利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的裝置及方法 - Google Patents

Description

利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的裝置及方法

本發明係有關於一種共光程外差干涉術，更特別有關於一種量測異方性物質之物理參數之外差干涉術。

有許多種用來做光學及非接觸式量測之干涉術及干涉儀，然而大部分的干涉術或干涉儀並非為共光程的結構。一般來說，非共光程的結構具有下列的問題：

(1)在非共光程的結構中，參考光束與測試光束之間的光程差必須是在同調長度內。此外，當光程差增加時，干涉信號的對比將會減小。

(2)在非共光程的結構中，兩個光束的環境應該要嚴格地控制。舉例來說，氣流的擾動以及外部的振動應該要避免。另外，室內環境的壓力、溫度與濕度亦需要穩定及有效率的控制。

(3)干涉圖案的分析也是較為複雜、麻煩以及較低的精確性。

而外差干涉術則是利用干涉信號的相位而不是振幅來量測物理參數。因此，在干涉過程中光強度的變化並不會影響量測結果，所要量測的物理參數可利用干涉信號的相位來即時地取出，這是外差干涉術非常特別的特性。然而，若外差干涉術未使用共光程的結構，仍然會有上述(1)與(2)的缺點，且量測的精確度會降低。

參考第1圖，美國專利第5,946,096號提出了一種全反射外差干涉術，用來量測等方性物質的折射率。外差光源11產生了兩道彼此相互正交且頻率略微不同的線性偏振光，這兩道光束通過分光鏡12後，成為反射光束與穿透光束。反射光束會通過一線性偏光之檢偏片16，並由光偵測器18來偵測。而在另一方面，穿透光束會通過稜鏡13，而後在待測物質15的邊界產生全反射，此全反射的信號光束會通過一線性偏光之檢偏片17，並由光偵測器19來偵測。而後，由光偵測器18與19所偵測得到的信號被送至相位計110，再經電腦111做若干的計算，以得到待測物質15的折射率，最後的結果顯示在顯示器112上。

然而，美國專利第5,946,096號所揭露的方法僅可量測等方性物質的物理參數，對於異方性物質的物理參數則無法量測。

本發明提供一種利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的裝置及方法。

於第一實施例中，本發明之利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的裝置包含一光源，用以產生一高偏振度之光束。由光源所射出之光束可視情況通過一線性偏光之起偏片，以得到更高偏振度的光束。光束接著會通過一電光調變器，此電光調變器係與一驅動器連接並受其驅動及控制。驅動器另與一信號產生器連接，使得電光調變器能夠按照所要的模式為驅動器所驅動，藉以調變通過電光調變器的光束，以產生所要的外差光束。另外，信號產生器還會傳送一參考信號至一相位計或者是鎖相放大器。

雷射光束經電光調變器的調變後，會產生兩道彼此相互正交且頻率略微不同的線性偏振光，兩者頻率之差係相等於由信號產生器所傳送出的參考信號的頻率。此兩相互正交之光束會先通過一異方性之待測物質，例如是一扭轉向列液晶盒，然後再通過一線性偏光之檢偏片，最後到達一光偵測器。相位計或鎖相放大器接收由光偵測器所傳送來的干涉信號，並與由信號產生器所傳送來的參考信號做比較，以得到兩者的相位差。另外，一旋轉平台則被設置成用來使待測物質能夠相對於測試光束做旋轉，以在不同的旋轉角度下，比較干涉信號與參考信號以得到所要的電信號差。這些電信號差的資料被送至一計算機，以計算得到待測物質的相關物理參數。

於第二實施例中，本發明之利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的裝置大體上相同於第一實施例之裝置，亦包含有電光調變器、信號產生器、驅動器、檢偏片、光偵測器、相位計/鎖相放大器、計算機以及旋轉平台。與第一實施例不同的是，本實施例之光源係使用二極體雷射，而起偏片則改為半波片。除此之外，二極體雷射還與雷射二極體穩壓器電性連接，以使雷射的輸出能夠穩定。由二極體雷射所射出的雷射光束，還利用一準直透鏡聚為平行光，並再通過設於準直透鏡下游的一可調光圈，以濾除掉不需要的邊緣光。接著雷射光束再通過半波片，此後本實施例之裝置的量測原理與第一實施例之裝置的量測原理相同。

根據本發明之利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的方法可精確地量測出光學補償彎曲(optical compensated bend；OCB)液晶盒、TAC膜(Triacetyl Cellulose film；TA C film)或者是扭轉向列(twisted Nematic；TN)液晶盒的扭轉角(twist angle)、預傾角(pretilt angle)與液晶盒厚度(cell gap)。由於扭轉角的微小變化對於扭轉向列液晶盒的對比度來說相當敏感，因此精確的量測出扭轉角對扭轉向列液晶盒來說是相當重要的。根據本發明之利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的方法，因為使用共光程，減少了環境的干擾，可獲得更穩定的量測數值。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。

參考第2圖，本發明第一實施例之利用穿透式外差干涉術量測異方性物質(anisotropic material)之物理參數的裝置包含有一光源210，例如是一雷射，例如是一氣體雷射，例如是氦氖雷射，用以產生一高偏振度之光束。由光源210所射出之光束可視情況通過一線性偏光之起偏片212，以得到更高偏振度的光束。光束接著會通過一電光調變器220，此電光調變器220係與一驅動器232連接並受其驅動及控制。驅動器232另與一信號產生器230連接，使得電光調變器220能夠按照所要的模式為驅動器232所驅動，藉以調變通過電光調變器220的光束，以產生所要的外差光束。另外，信號產生器230還會傳送一參考信號至一相位計或者是鎖相放大器270。

雷射光束經電光調變器220的調變後，會產生兩道彼此相互正交(orthogonal)且頻率略微不同的線性偏振光，兩者頻率之差係相等於由信號產生器230所傳送出的參考信號的頻率。此兩相互正交之光束會先通過一異方性之待測物質240，然後再通過一線性偏光之檢偏片250，以在該檢偏片250上產生干涉。以一光偵測器260量測該干涉光束，並將之轉換為一電的干涉信號。相位計或鎖相放大器270則接收並比較由光偵測器260所傳送來的干涉信號與由信號產生器230所傳送來的參考信號，以得到兩者的相位差。另外，一旋轉平台290則被設置成用來使待測物質240能夠相對於測試光束做旋轉，以在不同的旋轉角度下，比較干涉信號與參考信號以得到所要的電信號差。這些電信號差的資料被送至一計算機280，以計算得到待測物質240的相關物理參數，例如是扭轉向列液晶盒的扭轉角、預傾角或液晶盒厚度等參數。

參考第3圖，本發明第二實施例之利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的裝置係大體上相同於第一實施例之裝置，亦包含有電光調變器220、信號產生器230、驅動器232、檢偏片250、光偵測器260、相位計/鎖相放大器270、計算機280以及旋轉平台290。與第一實施例不同的是，本實施例之光源210係使用二極體雷射(diode laser)，而起偏片212則改為半波片(half wave plate)。除此之外，二極體雷射210還與雷射二極體穩壓器(laser diode control circuit)214電性連接，以使雷射的輸出能夠穩定。由二極體雷射210所射出的雷射光束，還利用一準直透鏡(collimating lens)216聚為平行光，並再通過設於準直透鏡216下游的一可調光圈218，以濾除掉不需要的邊緣光。接著雷射光束再通過半波片212，此後本實施例之裝置的量測原理與第一實施例之裝置的量測原理相同，於此不再贅述。

本發明之利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的裝置及方法可用來量測光學補償彎曲(optical compensated bend；OCB)液晶盒、TAC膜(Triacetyl Cellulose film；TAC film)或者是扭轉向列(twisted Nematic；TN)液晶盒的扭轉角(twist angle)、預傾角(pretilt angle)以及液晶盒的厚度(cell gap)。現在將光行進的方向定義為z軸方向、垂直方向定義為y軸方向、水平方向則定義為x軸方向。起偏片212的偏光軸係平行於x軸、檢偏片250之偏光軸係平行於y軸，而電光調變器220的快軸與x軸的夾角為45°。假設扭轉向列液晶盒240相對於測試光束的旋轉角度為θ，當我們旋轉扭轉向列液晶盒240時，如第4圖所示，可得到在不同θ角度下的相位差，經由曲線擬合(curve fitting)後，可求得此扭轉向列液晶盒240的扭轉角、預傾角以及液晶盒的厚度。

為了簡化計算起見，將扭轉向列液晶盒240等效視為m個延遲波片(retardation plate)所串接而成的結構，並個別定義每一個延遲波片所對應的光學矩陣。如此一來便可藉由瓊斯矩陣(Jones matrix)的方法來計算入射光穿過扭轉向列液晶盒240及檢偏片250後的電場，得到如下的方程式

在上式定義了三個扭轉向列液晶盒240的結構參數φ、d與α，其分別代表扭轉角、液晶盒厚度以及液晶盒光軸與z軸的夾角，而Γ為電光調變器220所產生的相位差，θ r為摩擦方向(rubbing direction)的初始方位角，R為旋轉矩陣函數，no和ne(α )分別為尋常光(o-wave)與非尋常光(e-wave)的折射率，λ為雷射光210的波長。

由於光強度係為電場的平方，所以光偵測器260所測得的光強度可表示為：(其中r,s,p,q,A,B為實數)

其中

如此一來，扭轉向列液晶盒240所貢獻的相位差ψ即可求出。

接著以資料擬合的方式，從實驗資料中擷取出扭轉向列液晶盒240的結構參數φ、d與α。所使用的擬合程序會在合理區間內調整這三個參數，並利用循環反覆地計算實驗資料與理論值之間的標準差SD，一直到SD的數值逐漸縮減至最小為止，如此一來便可使擬合曲線與實驗數據趨於吻合。SD的定義如下：

其中ψcal與ψexp分別代表理論上和實驗上的相位差。

利用上述計算方式，從資料中所擷取出的最佳結構參數φ、d與α係分別為90.8°、3.9454μm與83.956°，而對應的擬合曲線則如第4圖所示。

為驗證使用二極體雷射作為光源的可行性，分別使用二極體雷射與氦氖雷射對相同的OCB液晶盒做量測，所得到的相位差對液晶盒旋轉角度如第5及6圖所示。從圖可清楚地看出，使用二極體雷射與氦氖雷所得到的結果相同，因此直接證明了使用二極體雷射的可行性。由於二極體雷射相較於氦氖雷射具有體積小的優點，使用在量測裝置上可縮小裝置的體積。除此之外，二極體雷射的輸出波長相較於氣體雷射可容易地調整，因此可增加裝置的使用靈活度。

根據本發明之利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的方法可精確地量測出扭轉向列液晶盒的扭轉角、預傾角與液晶盒厚度。由於扭轉角的微小變化對於扭轉向列液晶盒的對比度來說相當敏感，因此精確的量測出扭轉角對扭轉向列液晶盒來說是相當重要的。根據本發明之利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的方法，因為使用共光程，減少了環境的干擾，可獲得更穩定的量測數值。

雖然本發明已以前述實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何本發明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，當可作各種之更動與修改。因此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。

11．．．外差光源

12．．．分光鏡

13．．．稜鏡

15．．．待測物質

16．．．檢偏片

17．．．檢偏片

18．．．光偵測器

19．．．光偵測器

110．．．相位計

111．．．電腦

112．．．顯示器

210．．．光源

212．．．起偏片/半波片

214．．．雷射二極體穩壓器

216．．．準直透鏡

218．．．可調光圈

220．．．電光調變器

230．．．信號產生器

232．．．驅動器

240．．．待測物質

250．．．檢偏片

260．．．光偵測器

270．．．相位計/鎖相放大器

280．．．計算機

290．．．旋轉平台

第1圖：為習知利用全反射外差干涉術來量測等方性物質的折射率之裝置的示意圖。

第2圖：為本發明第一實施例之利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的裝置的示意圖。

第3圖：為本發明第二實施例之利用穿透式外差干涉術量測異方性物質之物理參數的裝置的示意圖。

第4圖：為利用本發明之穿透式外差干涉術對一扭轉向列液晶盒做量測所得到的理論上與實驗上的相位差對液晶盒旋轉角度的圖形。

第5圖：為利用二極體雷射對OCB液晶盒做量測，所得到的相位差對液晶盒旋轉角度的圖形。

第6圖：為利用氦氖雷射對相同的OCB液晶盒做量測，所得到的相位差對液晶盒旋轉角度的圖形。

210．．．光源

212．．．起偏片

220．．．電光調變器

230．．．信號產生器

232．．．驅動器

240．．．待測物質

250．．．檢偏片

260．．．光偵測器

270．．．相位計/鎖相放大器

280．．．計算機

290．．．旋轉平台

Claims (20)

1. 一種量測異方性物質之物理量之方法，包含下列步驟：提供一異方性的物質；利用一電光調變器產生兩道偏振狀態相互正交且頻率不同之光束，並使該兩光束通過該物質；利用一光偵測器將該兩光束通過該物質後的信號轉換為一電的干涉信號；及將該干涉信號與一參考信號比較，以得到兩者之相位差。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該兩光束的頻率之差係等於該參考信號的頻率。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該干涉信號與該參考信號的比較係藉由一相位計或一鎖相放大器來達成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，更包含：旋轉該物質；及在該物質在不同的旋轉角度下，將該干涉信號與該參考信號比較。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該參考信號係由一信號產生器所產生。
6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該物質 係可為一扭轉向列液晶盒、一OCB液晶盒或一TAC膜。
7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中所要量測該扭轉向列液晶盒之物理參數係為扭轉角、預傾角與液晶盒厚度。
8. 一種量測異方性物質之物理參數之裝置，其包含：一光源，用以產生一光束；一電光調變器，用以將該光源所產生之光束轉換為兩道偏振狀態相互正交且頻率不同之光束，以入射至一待測的異方性的物質；一線性偏光之檢偏片，用以使該兩光束在通過該物質後產生干涉；一光偵測器，將該干涉光束轉換為一電的干涉信號；一信號產生器，產生一參考信號；及一相位計或鎖相放大器，用以比較該干涉信號與該參考信號，以得到兩者的相位差。
9. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該兩光束的頻率之差係等於該參考信號的頻率。
10. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，更包含：一驅動器，用以驅動該電光調變器， 其中該信號產生器係與該驅動器連接。
11. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，更包含：一線性偏光之起偏片，設置於該雷射與電光調變器之間。
12. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，更包含：一旋轉平台，用以旋轉該物質。
13. 如申請專利範圍第8項所述之裝置，其中該物質係可為一扭轉向列液晶盒、一OCB液晶盒或一TAC膜。
14. 一種量測異方性物質之物理參數之裝置，其包含：一二極體雷射，用以產生一雷射光束；一雷射二極體穩壓器，與該二極體雷射電性連接；一電光調變器，用以將該光源所產生之光束轉換為兩道偏振狀態相互正交且頻率不同之光束，以入射至一待測的異方性的物質；一線性偏光之檢偏片，用以使該兩光束在通過該物質後產生干涉；一光偵測器，將該干涉光束轉換為一電的干涉信號； 一信號產生器，產生一參考信號；及一相位計或鎖相放大器，用以比較該干涉信號與該參考信號，以得到兩者的相位差。
15. 如申請專利範圍第14項所述之裝置，更包含：一準直透鏡，將該二極體雷射所產生之光束聚為平行光；及一可調光圈，設於準直透鏡的下游。
16. 如申請專利範圍第14項所述之裝置，其中該兩光束的頻率之差係等於該參考信號的頻率。
17. 如申請專利範圍第14項所述之裝置，更包含：一驅動器，用以驅動該電光調變器，其中該信號產生器係與該驅動器連接。
18. 如申請專利範圍第14項所述之裝置，更包含：一半波片，設置於該雷射與電光調變器之間。
19. 如申請專利範圍第14項所述之裝置，更包含：一旋轉平台，用以旋轉該物質。
20. 如申請專利範圍第14項所述之裝置，其中該物質係可為一扭轉向列液晶盒、一OCB液晶盒或一TAC膜。