TWI464364B - 液晶盒厚度量測裝置及其量測方法 - Google Patents

Description

液晶盒厚度量測裝置及其量測方法

本發明係關於一種液晶盒厚度量測裝置及方法，特別是關於一種利用多波長兆赫波來量測液晶盒厚度之裝置及方法。

液晶盒廣泛地應用於液晶顯示器以及相位調控器等相關應用領域中，而液晶盒的厚度將直接的影響產品的品質及效能，因此液晶盒的厚度是液晶元件中非常重要的參數。因此，為使元件在光學設計上更臻完美，精準的液晶盒厚度量測成為一項新的研究領域。

當前液晶盒厚度的量測係採用白光多波長干涉法做為主要之量測方式。

白光多波長干涉法的量測是利用不同波段的入射光源入射空液晶盒。因液晶盒間隙介面之反射會因光程差而形成多重干涉，再透過光譜儀分析反射光強度來計算液晶盒厚度。然而，白光多波長干涉法量測之範圍是可見光應用的液晶盒厚度，其可量測到的液晶盒厚度範圍約為2微米(μm)~20微米(μm)。

目前相位調控器係於兆赫波時域解析光譜系統中工作，由於兆赫波的波長很長，若應用於相 位調控器中的液晶元件欲於兆赫波段之條件下產生足夠的相移以供相位調控器使用，則液晶元件的厚度必須到達上百微米，即液晶盒的厚度亦須達到上百微米以上，如此將超過白光多波長干涉法可量測之液晶盒之厚度範圍，造成量測上的困難。

另外，當前量測液晶盒之厚度需要先透過白光多波長干涉裝置來量測，量測完液晶盒之厚度後再移至兆赫波時域解析光譜系統進行後續作業，如此一來將使得作業流程繁複，增加測試人員負擔。

本發明之主要目的在於提供一種可量測液晶盒厚度範圍較大之量測裝置，且此量測裝置係與其他液晶盒應用領域例如液晶顯示器以及相位調控器等相關領域整合，使得使用者在量測液晶盒厚度後即可接續進行其他應用。

為達上述之目的，本發明提供一種液晶盒厚度量測裝置，用於測量液晶盒的厚度，液晶盒包含二個相間隔配置的基板。液晶盒厚度量測裝置包含雷射光源、分光鏡、步進馬達、光導天線模組、第一面鏡組、第二面鏡組、電光晶體以及檢測模組。雷射光源用以產生雷射光。分光鏡用以將雷射光分為激發光源及探測光源。步進馬達設置以讓該探測光 源入射至步進馬達中，用以將探測光源延遲一特定時間。光導天線模組設置以讓激發光源入射至光導天線模組中，用以加速天線載子使其輻射出兆赫波。第一面鏡組用以將兆赫波聚焦至第一焦點，待測之液晶盒係放置於第一焦點之位置。第二面鏡組用以將由待測之該液晶盒出射之兆赫波聚焦至第二焦點。電光晶體設置於第二焦點之位置，由第二面鏡組出射之兆赫波入射電光晶體時以改變電光晶體之折射率，經步進馬達延遲之探測光源係入射改變折射率後之電光晶體，且改變折射率後之電光晶體係使探測光源之光程產生光程差。檢測模組用以接收由電光晶體出射之探測光源，並檢測探測光源之光程，根據探測光源之光程差得到由第二面鏡組出射之兆赫波之樣品電場時域波形。其中，檢測模組係將樣品電場時域波形與一參考電場時域波形共同轉換為頻譜圖，並由頻譜圖計算出液晶盒之厚度。

為達上述之目的，本發明提供一種量測一液晶盒的厚度之方法，液晶盒包含二個相間隔配置的基板。方法包含產生具有複數個兆赫波段波長之兆赫波；使兆赫波通過液晶盒；依據兆赫波通過液晶盒所產生之光程差取得樣品電場時域波形；利用樣品電場時域波形及一參考電場時域波形得到對應之 頻譜圖；以及計算頻譜圖波峰間隔平均值而得到液晶盒之厚度。

本發明之液晶盒厚度量測裝置及量測液晶盒厚度之方法可量測到的液晶盒厚度可達到15微米(μm)至15毫米(mm)，改善了以往由白光多波長干涉法量測液晶盒厚度範圍僅為2微米(μm)~20微米(μm)之缺陷。另外，藉由兆赫波時域解析光譜系統量測液晶盒厚度後，即可於同一兆赫波時域解析光譜系統進行其他例如液晶顯示器以及相位調控器等相關領域之應用，簡化了使用流程，為使用者帶來極大的便利。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」或「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

兆赫波(THz wave,10¹² ，其波長介於微波與遠紅外光之間，較精確的定義範圍為0.3THz~10THz，對應的波長為1毫米(mm)~0.3毫米(mm)，1THz在真空中的波長為200微米 (μm)，其光子能量為4.1毫電子伏特(meV)。

請參照第1圖，第1圖係繪示根據本發明實施例之液晶盒之剖面圖。如第1圖所示，液晶盒100係由二基板110、二電極層120、多個墊片130所組成，藉由二基板110、二電極層120及多個墊片130形成一容置空間140，於此實施例中，基板110為相間隔配置，且容置空間140係用以存放液晶。於此實施例中，液晶盒100所使用之電極層120為導電薄膜(Indium Tin Oxide,ITO)。在兆赫波段下，導電薄膜為良好的光學諧振腔結構(Fabry-Pérot)反射膜，因此可使入射進液晶盒100之兆赫波產生多重干涉，故可透過多波長干涉法的原理來計算液晶盒100之厚度。液晶盒100透過光學諧振腔結構干涉的方式，利用不同波長的入射光源入射容置空間140後，因反射會形成光程差進而造成多重干涉，再藉由分析多重干涉來計算液晶盒100厚度。於一些實施例中，以90度入射則不需考慮入射角產生之光強度變化。

請參照第2圖並配合第1圖，第2圖係繪示根據本發明實施例之液晶盒厚度量測裝置之方塊圖。本發明之液晶盒厚度量測裝置200優選為兆赫波時域解析光譜系統用以量測液晶盒100之厚度。如第2圖所示，兆赫波時域解析光譜系統200包含雷射光源210、分光鏡220、步進馬達230、光導天線模組240、第一面鏡組250、第二面鏡組 260、電光晶體270及檢測模組280。雷射光源210用以產生雷射光L。分光鏡220用以將雷射光L分為激發光源L_pump 及探測光源L_probe 。

於此實施例中，探測光源L_probe 係入射至步進馬達230中，步進馬達230係用以將探測光源L_probe 延遲一特定時間。激發光源L_pump 係入射至光導天線模組240中，用以產生具有複數個兆赫波段波長之兆赫波L_T ，即頻率為0.1~10THz之波段中。於此實施例中，光導天線模組240包含光導天線241、透鏡242及交流方波電壓產生器243。透鏡242用以將激發光源L_pump 聚焦於光導天線241上，而交流方波電壓產生器243用以提供光導天線241電壓，使光導天線241產生兆赫波L_T ，此實施例中之透鏡242之焦距為4.5毫米之透鏡，且交流方波電壓產生器243之頻率為40千赫茲，波峰值為10伏特。

第一面鏡組250用以將兆赫波L_T 聚焦至第一焦點，而待測液晶盒100即放置於第一焦點之位置。於此實施例中，第一面鏡組250為焦距為3吋，入射光與出射光夾角為90°的兩組離軸拋物面鏡。兆赫波L_T 通過待測液晶盒100後會因光程差造成多重干涉而出射兆赫波L_T ’。

第二面鏡組260用以將由液晶盒100出射之兆赫波L_T ’聚焦至第二焦點，而電光晶體270即設置於第二焦點之位置，兆赫波L_T ’射入電光晶體 270時會改變電光晶體270之折射率。於此實施例中，第二面鏡組260為焦距為3吋，入射光與出射光夾角為90°的兩組離軸拋物面鏡，且電光晶體270之材料為鋅化碲(ZnTe)。

而延遲後之探測光源L_probe 將由步進馬達230入射至電光晶體270，改變折射率後之電光晶體270會改變探測光源L_probe 之光程而產生光程差，而後檢測模組280接收探測光源L_probe ，並檢測探測光源L_probe 之光程，根據該探測光源之光程差得到兆赫波L_T ’的電場時域波形，即樣品電場時域波形。接續，檢測模組280會將樣品電場時域波形與一參考電場時域波形共同轉換為頻譜圖，並由頻譜圖計算出液晶盒100之厚度。

請參閱第3圖並配合第1圖，第3圖係繪示根據本發明實施例之測量參考電場時域波形之示意圖。第3圖之兆赫波時域解析光譜系統200即為第2圖之兆赫波時域解析光譜系統結構200，惟於第2圖中放置液晶盒100之第一焦點處改為放置材質相同於待測之液晶盒100之基板110的二片疊合的基板110’。當兆赫波L_T 通過二片疊合的基板110’後，將會因多重干涉而出射兆赫波L_T ”。由二片疊合的基板110’出射之兆赫波L_T ”亦會改變電光晶體270之折射率。

而延遲後之探測光源L_probe 將由步進馬達230入射至電光晶體270，改變折射率後之電光晶 體270會改變探測光源L_probe 之光程而產生光程差，而後檢測模組280接收探測光源L_probe ，並檢測探測光源L_probe 之光程，根據該探測光源之光程差得到兆赫波L_T ”的電場時域波形，即參考電場時域波形。於一些實施例中，使用者可預設常用液晶盒100之基板110所對應之參考電場時域波形於液晶盒量射裝置200中，如此即可省略量測參考電場時域波形之步驟。

請參閱第4圖並配合第1至3圖，第4圖係繪示根據本發明實施例之頻譜圖。利用傅立葉轉換將樣品時域訊號與參考時域訊號相除後可得到頻譜圖，最後藉由布拉格干涉法公式Equation 1頻譜圖計算波峰間隔平均值即可得到液晶盒100之厚度。

請參閱第5圖，第5圖係繪示根據本發明第二實施例之量測液晶盒厚度之方法流程圖。於此實施例中，液晶盒包含二個相間隔配置的基板。在步驟501中，產生具有複數個波長之兆赫波。在步驟502中，使兆赫波通過液晶盒。

在步驟503中，依據兆赫波通過液晶盒所產生之光程差取得樣品電場時域波形，於此實施例中， 利用通過液晶盒之兆赫波改變一電光晶體的折射率後，再使一探測光源通過改變折射率後之電光晶體而產生光程差，測量探測光源之光程差而取得樣品電場時域波形。

在步驟504中，利用樣品電場時域波形及一參考電場時域波形得到對應之頻譜圖，於此實施例中，參考電場時域波形係藉由使兆赫波通過材質相同於待測之液晶盒之基板的二片疊合的基板，依據兆赫波通過疊合的基板所產生的光程差得到，再將參考電場時域波形及樣品電場時域波形透過傅立葉轉換後相除而得到頻譜圖。

在步驟505中，計算頻譜圖波峰間隔平均值而得到液晶盒之厚度，於此實施例中，藉由布拉格干涉法公式計算頻譜圖波峰間隔平均值，即可得到液晶盒之厚度。

多波長干涉法的量測範圍由兆赫波的定義範圍以及頻譜解析度決定，由布拉格干涉法公式可知1mm厚的液晶盒會在0.15THz出現第一個波峰，代表0.15THz所能量測的最小範圍為1mm，以兆赫波的定義範圍0.1~10THz來說，10THz可以量測的最小範圍為15μm。而量測的最大範圍則以系統的解析度而定，頻譜解析度可以藉由量測時域波形長度增長而減小，假設解析度達0.01THz(即10GHz)， 量測液晶盒厚度最大範圍可達15mm。

綜上所述，本發明之液晶盒厚度量測裝置及量測液晶盒厚度之方法可量測到的液晶盒厚度可達到15微米(μm)至15毫米(mm)，改善了以往由白光多波長干涉法量測液晶盒厚度範圍僅為2微米(μm)~20微米(μm)之缺陷。另外，藉由兆赫波時域解析光譜系統量測液晶盒厚度後，即可於同一兆赫波時域解析光譜系統進行其他例如液晶顯示器以及相位調控器等相關領域之應用，簡化了使用流程，為使用者帶來極大的便利。

此外，在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的“包括”、“包含”和“具有”係為一開放式的用語，故應解釋成“包含但不限定於”。所引用的許多技術性與科技的辭彙來指稱特定元件，所屬領域中具有通常知識者應可理解。若說明書中未明確定義所述用語，通常使用的術語定義可依字典闡釋的意義，建構並等同其上下文中的相關描述，無應受限於字典內典範或過度制式化的意涵。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。

100‧‧‧液晶盒

110、110’‧‧‧基板

120‧‧‧電極層

130‧‧‧墊片

140‧‧‧容置空間

200‧‧‧液晶盒厚度量測裝置(兆赫波時域解析光譜系統)

210‧‧‧雷射光源

220‧‧‧分光鏡

230‧‧‧步進馬達

240‧‧‧光導天線模組

241‧‧‧光導天線

242‧‧‧透鏡

243‧‧‧交流方波電壓產生器

250‧‧‧第一面鏡組

260‧‧‧第二面鏡組

270‧‧‧電光晶體

280‧‧‧檢測模組

L‧‧‧雷射光

L_T 、L_T ’、L_T ”‧‧‧兆赫波

L_pump ‧‧‧激發光源

L_probe ‧‧‧探測光源

501~505‧‧‧步驟

第1圖係繪示根據本發明實施例之液晶盒之剖面圖。

第2圖係繪示根據本發明實施例之液晶盒厚度量測裝置量測液晶盒厚度之方塊圖。

第3圖係繪示根據本發明實施例之測量參考電場時域波形之示意圖。

第4圖係繪示根據本發明實施例之頻譜圖。

第5圖係繪示根據本發明實施例之量測液晶盒厚度之方法流程圖。

100‧‧‧液晶盒

200‧‧‧液晶盒厚度量測裝置(兆赫波時域解析光譜系統)

210‧‧‧雷射光源

220‧‧‧分光鏡

230‧‧‧步進馬達

240‧‧‧光導天線模組

241‧‧‧光導天線

242‧‧‧透鏡

243‧‧‧交流方波電壓產生器

250‧‧‧第一面鏡組

260‧‧‧第二面鏡組

270‧‧‧電光晶體

280‧‧‧檢測模組

L‧‧‧雷射光

L_T 、L_T ’‧‧‧兆赫波

L_pump ‧‧‧激發光源

L_probe ‧‧‧探測光源

Claims (10)

1. 一種液晶盒厚度量測裝置，用於測量一液晶盒的厚度，該液晶盒包含二個相間隔配置的基板，該液晶盒厚度量測裝置包含：一雷射光源，用以產生一雷射光；一分光鏡，用以將該雷射光分為一激發光源及一探測光源；一步進馬達，設置以讓該探測光源入射至該步進馬達中，用以將該探測光源延遲一特定時間；一光導天線模組，設置以讓該激發光源入射至該光導天線模組中，用以產生具有複數個兆赫波段波長之一兆赫波；一第一面鏡組，用以將該兆赫波聚焦至一第一焦點，一待測之液晶盒係放置於該第一焦點之位置；一第二面鏡組，用以將由該待測之該液晶盒出射之該兆赫波聚焦至一第二焦點；一電光晶體，設置於該第二焦點之位置，由該第二面鏡組出射之該兆赫波入射該電光晶體時以改變該電光晶體之折射率，經步進馬達延遲之該探測光源係入射改變折射率後之該電光晶體，且改變折射率後之該電光晶體係使該探測光源之光程產生光程差；以及一檢測模組，用以接收由該電光晶體出射之該探測光源，並檢測該探測光源之光程，根據該探測光源之光程差得到由該第二面鏡組出射之該兆赫波之一樣品電場時域波形， 其中，檢測模組係將該樣品電場時域波形與一參考電場時域波形共同轉換為一頻譜圖，並由該頻譜圖計算出該液晶盒之厚度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之液晶盒厚度量測裝置，其中藉由將材質相同於待測之液晶盒之基板的二片基板疊合置於該第一面鏡組之該第一焦點之位置，該檢測模組係獲取該參考電場時域波形。
3. 如申請專利範圍第1項所述之液晶盒厚度量測裝置，其中該光導天線模組包含一光導天線、一透鏡及一交流方波電壓產生器，該透鏡用以將該激發光源聚焦於該光導天線上，該交流方波電壓產生器用以提供該光導天線電壓，使該光導天線產生兆赫波。
4. 如申請專利範圍第3項所述之液晶盒厚度量測裝置，其中該透鏡之焦距範圍為4.5毫米。
5. 如申請專利範圍第3項所述之液晶盒厚度量測裝置，其中該交流方波電壓產生器之頻率範圍為40千赫茲，波峰值範圍為10伏特。
6. 如申請專利範圍第1項所之液晶盒厚度量測裝置，其中該電光晶體之材料為鋅化碲(ZnTe)。
7. 一種量測一液晶盒的厚度之方法，該液晶盒包含二個相間隔配置的基板，該方法包含：產生一兆赫波；使該兆赫波通過該液晶盒；依據該兆赫波通過該液晶盒所產生的光程差取得一樣 品電場時域波形；利用該樣品電場時域波形及一參考電場時域波形得到對應之一頻譜圖；以及計算該頻譜圖波峰間隔平均值而得到該液晶盒之厚度。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該參考電場時域波形係藉由使該兆赫波通過材質相同於待測之液晶盒之基板的二片疊合的基板，依據該兆赫波通過該疊合的基板所產生的光程差得到。
9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中將該參考電場時域波形及該樣品電場時域波形透過傅立葉轉換後相除而得到該頻譜圖。
10. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該頻譜圖係藉由布拉格干涉法公式計算出該液晶盒之厚度。