TWI476391B - 光學量測裝置 - Google Patents

Description

光學量測裝置

本發明是有關於一種量測裝置，且特別是有關於一種光學量測裝置。

隨著顯示技術的進步，顯示器已從傳統大體積之陰極射線管(cathode ray tube,CRT)演變為各種平面顯示器，例如液晶顯示器、電漿顯示器(plasma display panel,PDP)、有機發光二極體(organic light-emitting diode,OLED)顯示器。此外，現今之顯示技術仍然不斷地在蓬勃的發展，例如發展出立體影像顯示器、可撓式顯示器(或稱軟性顯示器)及電子書等。

可撓式顯示器通常包括可撓式薄膜與顯示介質，其中顯示介質例如為各種型態的液晶(liquid crystal)、有機發光二極體、電泳粒子(electrophoretic particle)等。可撓式薄膜在製造時由於鍍膜或雷射加工等過程，部分應力會殘留在薄膜內，而殘留應力的大小將影響此薄膜的使用壽命。因此，通常會對可撓式薄膜進行耐久性測試，進而確保可撓式顯示器的品質。目前的習知技術大多採用撓曲測試的方式來進行軟性顯示器薄膜的耐久性測試。然而，薄膜經過撓曲測試後，殘留的應力會更加的突顯，進而影響可撓式顯示器的品質與使用壽命。

為了降低撓曲測試對可撓式薄膜的影響，非接觸式的 量測技術之發展便更為重要。

本發明之一實施例提出一種光學量測裝置，用以量測一待測樣本。光學量測裝置包括一扁平化面光源模組、一第一偏振片、一第二偏振片、一液晶盒及一影像感測器。扁平化面光源模組用以提供一面光源，其中面光源用以發出一檢測光。第一偏振片配置於檢測光的傳遞路徑上，且第二偏振片配置於檢測光的傳遞路徑上。第一偏振片配置於面光源與第二偏振片之間，且待測樣本適於配置於第一偏振片與第二偏振片之間。液晶盒配置於檢測光的傳遞路徑上，且位於第一偏振片與第二偏振片之間。影像感測器配置於檢測光的傳遞路徑上，以感測檢測光，其中第二偏振片配置於液晶盒與影像感測器之間。

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

圖1為本發明之一實施例之光學量測裝置的示意圖，而圖2繪示圖1中之第一偏振片與第二偏振片的穿透軸的方向。請參照圖1，本實施例之光學量測裝置100用以量測一待測樣本50。在本實施例中，待測樣本50例如為可撓式基板或可撓式薄膜，其中可撓式基板與可撓式薄膜可用以製作可撓式顯示器或其他光學元件。光學量測裝置 100包括一扁平化面光源模組110、一第一偏振片120、一第二偏振片130、一液晶盒140及一影像感測器150。扁平化面光源模組110用以提供一面光源112，其中面光源112用以發出一檢測光114。第一偏振片120配置於檢測光114的傳遞路徑上，且第二偏振片130配置於檢測光114的傳遞路徑上。第一偏振片120配置於面光源112與第二偏振片130之間，且待測樣本50適於配置於第一偏振片120與第二偏振片130之間。

液晶盒140配置於檢測光114的傳遞路徑上，且位於第一偏振片120與第二偏振片130之間。在本實施例中，液晶盒140包括一第一電極基板142、一液晶層144及一第二電極基板146，其中液晶層144配置於第一電極基板142與第二電極基板146之間。

影像感測器150配置於檢測光114的傳遞路徑上，以感測檢測光114，其中第二偏振片130配置於液晶盒140與影像感測器150之間。在本實施例中，影像感測器150為矩陣式光感測元件。舉例而言，影像感測器150例如為電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)或互補式金氧半導體感測元件(complementary metal oxide semiconductor sensor,CMOS sensor)。

在本實施例中，光學量測裝置100更包括一濾光片160，配置於檢測光114的傳遞路徑上，且配置於面光源112與影像感測器150之間，以讓檢測光114之具有一特定波長的部分傳遞至影像感測器150。在本實施例中，濾 光片160配置於面光源112與待測樣本50之間，例如是配置於面光源112與第一偏振片120之間。

在本實施例中，光學量測裝置100更包括一夾具170，且夾具170用以夾持待測樣本50。在本實施例中，光學量測裝置100更包括一控制單元180，電性連接至液晶盒140，其中控制單元180施加至少三個不同的電壓至液晶盒140，以改變液晶盒140的相位延遲量。具體而言，控制單元180使第一電極基板142與第二電極基板146之間產生三種不同的電壓差，以改變液晶層144中的液晶分子的轉動角度，進而改變液晶盒140的相位延遲量。

在本實施例中，控制單元180更電性連接至影像感測器150，且控制單元180根據施加上述至少三個不同的電壓至液晶盒140時影像感測器150所感測到的檢測光114所形成的影像，以計算出待測樣本50於一預設方向D1上的二維相位延遲量分布。在本實施例中，預設方向D1例如為待測樣本50的預設快軸方向。

具體而言，在本實施例中，面光源112所發出的部分檢測光114在通過濾光片160之後，被過濾成實質上具單波長的檢測光114。接著，檢測光114受到第一偏振片120的偏極化作用後，部分檢測光114通過第一偏振片120而成為線偏振光，即具有線偏振特性的檢測光114。為了便於說明檢測光114的偏振方向，在本實施例中，可定義直角座標系，其包括彼此互相垂直的x軸、y軸及z軸，其中x軸與y軸實質上平行於面光源112、第一偏振片120、 液晶盒140與第二偏振片130，而z軸實質上垂直於面光源112、第一偏振片120、液晶盒140與第二偏振片130。在本實施例中，第一偏振片120的穿透軸A1例如是配置於相對x軸傾斜45°的方向上，且穿透軸A1實質上垂直於z軸。因此，當部分檢測光114通過第一偏振片120後，其偏振方向是在平行於穿透軸A1的方向上。

之後，具有線偏振特性的檢測光114進入受電壓控制的液晶盒140，使得檢測光114之x方向上的電場分量與y方向上的電場分量的相位差因為液晶層144中的液晶分子的雙折射性而受到調制。接著，檢測光114通過待測樣本50。然後，檢測光114傳遞至第二偏振片130。在本實施例中，第二偏振片130的穿透軸A2配置於相對x軸傾斜-45°的方向上。如此一來，當檢測光114通過第二偏振片130時，檢測光114的x分量偏光與y分量偏光於相對x軸傾斜-45°的方向上的投影分量相互結合而產生共光程干涉。由於扁平化面光源模組110所提供的是一個面光源112，因此檢測光114可照射整面待測樣本50或照射於待測樣本50上的大部分面積。如此一來，檢測光114在通過第二偏振片130後便會產生二維的干涉訊號。然後，檢測光114搭載著二維的干涉訊號而傳遞至影像感測器150。

在本實施例中，光學量測裝置100更包括至少一透鏡190，配置於第二偏振片130與影像感測器150之間。透鏡190可將檢測光114所搭載的二維的干涉訊號成像於影像感測器150上。

在本實施例中，若液晶盒140是採用扭曲向列模式(twisted nematic mode,TN-Mode)的液晶盒，則液晶盒的瓊斯矩陣(Jones matrix)M可表示為：

其中，φ 代表液晶層144的扭轉角度(twist angle)，δ 代表液晶層144在φ 等於0時的總相位延遲量。另外，假設待測樣本50的快軸(fast axis)方向為x方向，則待測樣本的瓊斯矩陣S可表示為：

其中，θ 代表待測樣本50的相位延遲量。再者，當檢測光114依序通過第一偏振片120、液晶盒140、待測樣本50及第二偏振片130後，檢測光114的電場可以表示為：

其中，P₁ (45°)與P₂ (-45°)分別代表第一偏振片142與第二偏振片146的瓊斯矩陣。若液晶層144的φ =90°，則檢測光114在進入影像感測器150前的光強度I可推導得：

其中，。因此，藉由調變施加於液晶盒140上之電壓，則可改變β 值。在本實施例中，假設在不同的 時間中分別施加四個不同的電壓至液晶盒140時，可得到液晶盒140的相對應的四個β 值，例如β ₁ 、β ₂ 、β ₃ 及β ₄ ，則影像感測器150可感測到相對應的四個I值，例如I₁ 、I₂ 、I₃ 及I₄ ，則可將(4)式改寫成：

其中，A=cos² (θ/2)，B=(π² +θ² )sin² (θ/2)，且C=θsinθ。接著，可利用最小平方擬合法而得到A、B、C之數值，亦即：

其中，M_β ^t 為M_β 的轉置矩陣(transpose)，而(M_β ^t M_β )^-1 為M_β ^t M_β 的反矩陣(inverse)。再者，為了考慮影像感測器150所測得的檢測光114的影像之歸一化問題，則假設B_A =B/A，C_A =C/A，且配合A、B、C與θ 的關係可推得：

其中，θ (x,y)即為待測樣本50的二維相位延遲量分布，亦即為平行於圖1之xy平面的待測樣本50所在的平 面上之各個不同的位置處之相位延遲量的值。在一實施例中，亦可進一步利用二維相位解纏繞(two dimension phase unwrapping)的方法，解得正確的相位延遲分佈。然而，即使不採用二維相位解纏繞的方法，直接從θ (x,y)亦可大致上看出相位延遲量的分佈趨勢，進而得知殘留在待測樣本50上的應力的位置及概略分佈。如此一來，θ (x,y)便可作為待測樣本50的耐久性測試之參考數據，以縮短耐久性測試所需的時間。或者，θ (x,y)亦可作為製作待測樣本50時的參考數據，例如可參考θ (x,y)來調整待測樣本的製程參數與製程環境，進而製作出品質更為良好的待測樣本。

在本實施例中，夾具170對待測樣本50產生一沿著預設方向D1(即平行於±x方向)的拉力F。因此，可將預設方向D1作為待測樣本50的預設快軸方向。

在本實施例之光學量測裝置100中，由於採用扁平化面光源模組110，而扁平化面光源模組110所佔的體積較小，因此可縮小光學量測裝置100的體積。此外，由於扁平化面光源模組110可產生面光源，因此光學量測裝置100可量測整面或大部分的待測樣本，而達到全域式的相位延遲量分布的量測，進而可推得待測樣本的應力分布概況。

在另一實施例中，液晶盒140亦可採用具有畫素結構的彩色液晶顯示面板來形成，此時可不採用濾光片160，而是藉由將第一電極基板142或第二電極基板144上的單一顏色的子畫素(例如紅色子畫素、綠色子畫素或藍色子畫素中之任一色子畫素)開啟，並關閉其他顏色的子畫素。 如此一來，便可將檢測光114過濾成單一顏色的光，進而達到共光程干涉的量測。換言之，可將彩色液晶顯示面板其中一側的偏振片去除，而另一側的偏振片作為第一偏振片120，此外，在待測樣本50的另一側設置第二偏振片130，並採用液晶顯示器的背光模組作為扁平化面光源模組110。如此一來，即可利用現有的光學元件來形成光學量測裝置，這樣可以節省光學量測裝置的製作成本。再者，在其他實施例中，亦可不採用濾光片160，而是扁平化面光源模組110提供單波長或單一顏色的面光源，例如是採用發光二極體或雷射產生器來產生單一顏色或單一波長的光。

圖3為本發明之另一實施例之光學量測裝置的示意圖。請參照圖3，本實施例之光學量測裝置100a類似於圖1之光學量測裝置100，而兩者的差異如下所述。在本實施例之光學量測裝置100a中，濾光片160配置於待測樣本50與影像感測器150之間。舉例而言，濾光片160可配置於透鏡190與影像感測器150之間。如此一來，雖然通過液晶盒140與待測樣本50的檢測光114具有多個波長，但經過濾光片160的濾除後，便可讓特定波長的檢測光114通過，而阻擋其餘波長的檢測光114，如此仍可達到共光程干涉的量測。

濾光片160可配置於扁平化面光源模組110與影像感測器150之間的檢測光114的傳遞路徑上的任何位置。舉例而言，在其他實施例中，濾光片160可配置於第一偏振 片120與液晶盒140之間，或可配置於第一電極基板142與液晶層144之間，或可配置於液晶層144與第二電極基板146之間，或可配置於液晶盒140與待測樣本50之間，或可配置於待測樣本50與第二偏振片130之間，或可配置於第二偏振片130與透鏡190之間。

圖4為本發明之又一實施例之光學量測裝置的示意圖。請參照圖4，本實施例之光學量測裝置100b與圖1之光學量測裝置100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例之光學量測裝置100b中，影像感測器150b為線型掃描式光感測元件。舉例而言，影像感測器150b可沿著x方向沿伸，且可沿著+y方向或-y方向掃描。如此一來，影像感測器150b亦可獲得二維的共光程干涉訊號。換言之，影像感測器150b例如是採用掃描器(scanner)的影像感測器。在本實施例中，濾光片160配置於面光源112與待測樣本50之間，例如是配置於面光源112與第一偏振片120之間。在另一實施例中，影像感測器150b亦可以是沿著y方向沿伸，且沿著+x方向或-x方向掃描。

圖5為本發明之再一實施例之光學量測裝置的示意圖。請參照圖5，本實施例之光學量測裝置100c與圖4之光學量測裝置100b類似，而兩者的差異在於在本實施例之光學量測裝置100c中，濾光片160配置於待測樣本50與影像感測器150b之間，例如是配置於第二偏振片130與影像感測器150b之間。

濾光片160可配置於扁平化面光源模組110與影像感 測器150b之間的檢測光114的傳遞路徑上的任何位置。舉例而言，在其他實施例中，濾光片160可配置於第一偏振片120與液晶盒140之間，或可配置於第一電極基板142與液晶層144之間，或可配置於液晶層144與第二電極基板146之間，或可配置於液晶盒140與待測樣本50之間，或可配置於待測樣本50與第二偏振片130之間。

圖6繪示圖1之光學量測裝置的另一種量測方式。請參照圖6，在本實施例中，夾具170用以在預設方向D1(亦例如平行於±y方向的方向)上彎曲待測樣本50，以使光學量測裝置100可作出不同於圖1的量測方式之量測數據。在預設方向D1上彎曲待測樣本50可使預設方向D1更接近於待測樣本50的實際快軸方向。

綜上所述，在本發明之實施例之光學量測裝置中，由於採用扁平化面光源模組，而扁平化面光源模組所佔的體積較小，因此可縮小光學量測裝置的體積。此外，由於扁平化面光源模組可產生面光源，因此光學量測裝置可量測整面或大部分的待測樣本，而達到全域式的相位延遲量分布的量測，進而可推得待測樣本的應力分布概況。

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。

50‧‧‧待測樣本

100、100a、100b、100c‧‧‧光學量測裝置

110‧‧‧扁平化面光源模組

112‧‧‧面光源

114‧‧‧檢測光

120‧‧‧第一偏振片

130‧‧‧第二偏振片

140‧‧‧液晶盒

142‧‧‧第一電極基板

144‧‧‧液晶層

146‧‧‧第二電極基板

150、150b‧‧‧影像感測器

160‧‧‧濾光片

170‧‧‧夾具

180‧‧‧控制單元

190‧‧‧透鏡

A1、A2‧‧‧穿透軸

D1‧‧‧預設方向

F‧‧‧拉力

圖1為本發明之一實施例之光學量測裝置的示意圖。

圖2繪示圖1中之第一偏振片與第二偏振片的穿透軸的方向。

圖3為本發明之另一實施例之光學量測裝置的示意圖。

圖4為本發明之又一實施例之光學量測裝置的示意圖。

圖5為本發明之再一實施例之光學量測裝置的示意圖。

圖6繪示圖1之光學量測裝置的另一種量測方式。

50‧‧‧待測樣本

100‧‧‧光學量測裝置

110‧‧‧扁平化面光源模組

112‧‧‧面光源

114‧‧‧檢測光

120‧‧‧第一偏振片

130‧‧‧第二偏振片

140‧‧‧液晶盒

142‧‧‧第一電極基板

144‧‧‧液晶層

146‧‧‧第二電極基板

150‧‧‧影像感測器

160‧‧‧濾光片

170‧‧‧夾具

180‧‧‧控制單元

190‧‧‧透鏡

D1‧‧‧預設方向

F‧‧‧拉力

Claims (11)

1. 一種光學量測裝置，用以量測一待測樣本，該光學量測裝置包括：一扁平化面光源模組，用以提供一面光源，其中該面光源用以發出一檢測光；一第一偏振片，配置於該檢測光的傳遞路徑上；一第二偏振片，配置於該檢測光的傳遞路徑上，其中該第一偏振片配置於該面光源與該第二偏振片之間，且該待測樣本適於配置於該第一偏振片與該第二偏振片之間；一液晶盒，配置於該檢測光的傳遞路徑上，且位於該第一偏振片與該第二偏振片之間；一影像感測器，配置於該檢測光的傳遞路徑上，以感測該檢測光，其中該第二偏振片配置於該液晶盒與該影像感測器之間；以及一控制單元，電性連接至該液晶盒及該影像感測器，其中該控制單元施加至少三個不同的電壓至液晶盒，以改變該液晶盒的相位延遲量，且該控制單元根據施加該至少三個不同的電壓至液晶盒時該影像感測器所感測到的該檢測光所形成的影像，以計算出該待測樣本於一預設方向上的二維相位延遲量分布。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，更包括一濾光片，配置於該檢測光的傳遞路徑上，且配置於該面光源與該影像感測器之間，以讓該檢測光之具有一特定波長的部分傳遞至該影像感測器。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學量測裝置，其中該濾光片配置於該面光源與該待測樣本之間。
4. 如申請專利範圍第2項所述之光學量測裝置，其中該濾光片配置於該待測樣本與該影像感測器之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該預設方向為該待測樣本的預設快軸方向。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，更包括一夾具，夾持該待測樣本。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學量測裝置，其中該夾具對該待測樣本產生一沿著該預設方向的拉力。
8. 如申請專利範圍第6項所述之光學量測裝置，其中該夾具用以在該預設方向上彎曲該待測樣本。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該影像感測器為矩陣式光感測元件。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該影像感測器為線型掃描式光感測元件。
11. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，更包括至少一透鏡，配置於該第二偏振片與該影像感測器之間。