專利名稱：液晶單元的光學(xué)特性測量系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液晶單元的光學(xué)特性測量系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
液晶面板所使用的元件中，具有光學(xué)雙折射特性的元件如液晶層(Liquid Crystal Cell)及光學(xué)補(bǔ)償膜(Compensation Film)等，其光學(xué)特性決定液晶顯 示器影像品質(zhì)的優(yōu)劣，而所述元件的光學(xué)特性可由偏振片-待測樣品-檢偏片 (Polarizer-Sample-Analyzer ;PSA)的系統(tǒng)架構(gòu)測量。 現(xiàn)有的PSA測量各向異性物質(zhì)的光軸角度或相位差是在偏振片及檢偏片穿透軸
平行或垂直情況下同步旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)待測樣品，并利用光偵測器所測量的光強(qiáng)度信號判斷其
極大或極小值，而信號為極大或極小值的旋轉(zhuǎn)角度即為其光軸角度。然而，現(xiàn)有方法需記
錄大量數(shù)據(jù)，且必須掃描足夠大的角度范圍，以避免外差計(jì)算所產(chǎn)生光軸角度測量的誤差。
故，于需要較高測量速度的產(chǎn)線上，此現(xiàn)有方法是否能應(yīng)付生產(chǎn)需求尚可存疑。 美國專利公告號US5， 532， 823中揭露其利用PSA測量架構(gòu)下測量扭轉(zhuǎn)向列型
(Twisted Nematic， TN)液晶面板，其是在給定的扭轉(zhuǎn)角度下，設(shè)定偏振片和檢偏片至相對
于扭轉(zhuǎn)角度，然后轉(zhuǎn)動液晶面板至最大穿透強(qiáng)度后進(jìn)行測量。然，此專利揭示的方法與上述
現(xiàn)有方法相同，在測量速度上是否能滿足生產(chǎn)需求尚可存疑。 如上所述，現(xiàn)有的PSA系統(tǒng)無法精確并快速地對具有光學(xué)雙折射特性的元件進(jìn)行 檢測，有鑒于此，本發(fā)明為此提供一解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明中一實(shí)施范例的液晶單元的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，包含一光源、一投光 探頭、一收光探頭、一光譜儀及一信號分析單元。該光源發(fā)出一具有多波長的發(fā)射光。該投 光探頭具一第一穿透軸且用于將該發(fā)射光轉(zhuǎn)換為一投射于該待測件的偏振光束。該收光探 頭具有一第二穿透軸且用于分析從該偏振光束穿透該待測件后而產(chǎn)生的偏振光束的偏振 態(tài)，其中該第一穿透軸與該第二穿透軸間具一相對角度。該光譜儀用于獲取該偏振光束的 光譜信號，其中該收光探頭耦接于該光譜儀。該信號分析單元用于以多個(gè)該光譜信號及與 各該光譜信號相對應(yīng)的多個(gè)轉(zhuǎn)動角度計(jì)算該待測件的一光軸方位角度及/或一相位差分 布，其中各該光譜信號是將該投光探頭與該收光探頭轉(zhuǎn)動于該轉(zhuǎn)動角度后測量而得。
根據(jù)本發(fā)明中一實(shí)施范例的液晶單元的光學(xué)特性測量方法，該方法至少包括以下 步驟，在一投光探頭的一第一穿透軸與一收光探頭的的一第二穿透軸間設(shè)定一相對角度； 多次旋轉(zhuǎn)該投光探頭與該收光探頭，并記錄其中每次的轉(zhuǎn)動角度與光譜信號；以及依所述 旋轉(zhuǎn)角度與所述光譜信號計(jì)算該待測件的光軸方位角度。 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的若干實(shí)施范例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉若干實(shí)施范例，并配合所附圖式，作詳細(xì)說明如下。


本發(fā)明揭示的技術(shù)是用以完成雙折射樣品的特性測量，以旋轉(zhuǎn)偏振片及檢偏片求 得樣品光軸角度，在演算法上在有限的測量次數(shù)下，可有效提高測量準(zhǔn)確度的直接求解方 法，而不需大量取得測量數(shù)據(jù)后再擬合數(shù)據(jù)以求解光軸角度。且根據(jù)應(yīng)用上的不同，通過數(shù) 學(xué)理論運(yùn)算求解得到相位差資訊。 圖1顯示本發(fā)明一實(shí)施范例的液晶單元的光學(xué)特性測量系統(tǒng)100示意圖。液晶單 元的光學(xué)特性測量系統(tǒng)100包含發(fā)出一具有多波長的發(fā)射光(例如白光)的一光源102、 一個(gè)具有一第一穿透軸且用于將該發(fā)射光轉(zhuǎn)換為一投射于該待測件124的偏振光束的投 光探頭106、一個(gè)具有一第二穿透軸且用于從該偏振光束穿透該待測件后而產(chǎn)生的一偏振 光束的偏振態(tài)的收光探頭110、一用于獲取該偏振光束的光譜信號的光譜儀112，以及一用 于以多個(gè)該光譜信號及與各該光譜信號相對應(yīng)的多個(gè)轉(zhuǎn)動角度計(jì)算該待測件124的光軸 方位角度及/或相位差分布的信號分析單元114。于本案實(shí)施例中，該偏振片104與該檢偏 片108的穿透軸間被設(shè)定一相對角度使得該兩垂直偏振光束之一通過該檢偏片108。偏振片104是棱鏡式偏振片或薄片式偏振片。 一實(shí)施例中，該檢偏片108是棱鏡式或薄片式檢 偏片。 光源102產(chǎn)生具多波長的寬頻光束，并利用一光纖束(FiberBundle)116導(dǎo)光成多 道的光束，然后通過光纖118耦接至包含多個(gè)投光探頭106的一投光探頭組120。投光探頭 106另包含一用于準(zhǔn)直投射光束的光準(zhǔn)直透鏡(Collimation Lens) 122，使投光探頭106可 投射一具有線性偏振的平行光束于待測件124。 穿透具雙折射特性的待測件124的投射光因相位差的關(guān)系使其入射偏振態(tài) (State of Polarization)產(chǎn)生變化而形成兩相互垂直的偏振光束。 收光探頭組126包含多個(gè)收光探頭110，其與該投光探頭組120對應(yīng)設(shè)置。收光探 頭110內(nèi)另包含一用于將該偏振光束聚焦的光聚焦透鏡(Focusing Lens) 128。收光探頭 110可通過旋轉(zhuǎn)將兩個(gè)相互垂直的偏振光束聚焦耦合收進(jìn)一連接至光譜儀112的光纖陣列 130中。在本案實(shí)施例中，光譜儀112是可以同步分析多待測點(diǎn)的光譜強(qiáng)度資訊的多通道光 譜儀，而且可通過該多通道光譜儀同時(shí)得到兩相互垂直的偏振光束并做信號歸一化處理。
待測件124的光學(xué)特性是信號分析單元114分析計(jì)算，系統(tǒng)內(nèi)各元件可用瓊斯矩 陣(Jones Matrix)表示，并進(jìn)而獲得如下用于擬合求解穿透光譜曲線的方程式 T
cos " cos(- — ;k ++ * sin " sin(- — y + )
^2 sin2 "cos2(--" a)
A a) 其中，|32= 32+小2及5 = ~^~ a為偏振片角度，Y為檢偏片角度，小為液晶
的扭轉(zhuǎn)角度(Twist Angle), An為雙折射率，d為樣品厚度，A為光波波長。方程式(1)可 代表通過各向異性物質(zhì)的光學(xué)雙折射特性，內(nèi)含光軸方位角度與相位差資訊。待測件124 在測量時(shí)，待測件124的光軸方位角度的投影面202和入射光光軸方向垂直，偏振片104的 穿透軸(Transmission Axis) 204和檢偏片108的穿透軸206間具有一相對角度，而偏振片 104和光軸方位角度的夾角為a (如圖2所示)。本發(fā)明揭示的光軸方位角度的測量與計(jì) 算可包含下述兩方法
(i)方法一 對于無扭轉(zhuǎn)角度(Non-twisted)或是扭轉(zhuǎn)角度為90度的待測件124，方程式(1) 在條件為Y = a可以簡化方程式，通過下式使色散特性移除 r。 一cos2 (2")^pCOs2[2( + Z)] (2) 方程式(2)中Ta是偏振片104在初始角度位置的穿透強(qiáng)度，此時(shí)待測件124的光 軸方位角度與偏振片104的穿透軸夾角為a ，Tb為偏振片104和檢偏片108旋轉(zhuǎn)X角度后 的穿透光譜強(qiáng)度。在方程式(2)內(nèi)，我們可知通過已知測量條件，求解未知系數(shù)a，此為待 測件124的光軸角度位置或液晶配向角度。
(ii)方法二 此方法使偏振片104和檢偏片108的相對位置和扭轉(zhuǎn)角度相關(guān)，方程式(1)在Y
7=a+小條件下，藉下式使色散特性移除于方程式
r <formula>formula see original document page 8</formula>
(3) 方程式中1\是偏振片104在初始角度位置的穿透強(qiáng)度，此時(shí)未知待測件124的液 晶配向方向或光軸方位角度與偏振片104的穿透軸夾角為a 、 T2以及T3分別代表偏振片 104和檢偏片108旋轉(zhuǎn)&角度后，以及旋轉(zhuǎn)X2角度后的穿透光譜強(qiáng)度。方法二一開始需給 定扭轉(zhuǎn)角度，讓偏振片104和檢偏片108定位至相對的扭轉(zhuǎn)角度位置，在待測件124是屬于 無扭轉(zhuǎn)角度的樣品亦適用此方程式。 在決定光軸角度后，利用方程式(1)可擬合(Fitting)或直接求解方式得到待測 樣品的相位差分布And，其中An為波長的函數(shù)，亦即可以得到與波長相關(guān)的相位差分布。 我們亦可擬合求解方程式(4)所示的柯西色散方程式(Cauchy Dispersion Equation)擬 合計(jì)算得到的相位差分布，由此可以消除系統(tǒng)雜訊所造成的誤差，并可以得到連續(xù)分布的 相位差數(shù)值。
<formula>formula see original document page 8</formula> 其中A、B和C為色散系數(shù)，可以利用最小平方法(Least SquareMethod)擬合所有 的數(shù)據(jù)解的曲線以求得此三個(gè)系數(shù)。 圖3顯示本發(fā)明另一實(shí)施范例的液晶單元的光學(xué)特性測量系統(tǒng)300示意圖。收 光探頭組302中所包含的收光探頭304亦可包含偏振分光鏡306及兩光聚焦透鏡(308與 310)。此收光探頭302可以將兩相互垂直的偏振光束同時(shí)聚焦在兩個(gè)收光光纖陣列130，并 連接至多通道影像光譜儀112，以同步分析多通道的光譜強(qiáng)度資訊，并可以通過光譜儀同時(shí) 得到的兩相互垂直的偏振光束信號以即時(shí)做信號歸一化處理。 一實(shí)施例中，該偏振分光鏡 306是棱鏡式偏振分光鏡或薄片式偏振分光鏡。 圖4顯示本發(fā)明一實(shí)施范例的液晶單元的光學(xué)特性測量方法的流程圖。此一揭示 的流程圖將方法一應(yīng)用于無扭轉(zhuǎn)角度或者扭轉(zhuǎn)角度為90。的待測件。在步驟S402中，給 定待測件的扭轉(zhuǎn)角度。在步驟S404中，設(shè)定一相對角度在一投光探頭的一第一穿透軸與一 收光探頭的一第二穿透軸間，其中該相對角度使一穿透的偏振光束具一最大強(qiáng)度值。在本 實(shí)施例中，待測件為無扭轉(zhuǎn)角度或扭轉(zhuǎn)角度為90。，故該相對角度為0?；?0° 。在步驟 S406中，多次旋轉(zhuǎn)該投光探頭與該收光探頭o;和Tb)，并記錄各該次數(shù)的轉(zhuǎn)動角度(X)與 光譜信號。在步驟S408中，依所述旋轉(zhuǎn)角度與所述光譜信號計(jì)算該待測件的光軸方位角 度。利用上述步驟中的i;、Tb及X，將公式(2)中的穿透軸夾角a計(jì)算出，此夾角a即光 軸方位角度。在步驟S410中，旋轉(zhuǎn)該投光探頭與該收光探頭至一測量角度，其中該測量角 度與該光軸方位角度的夾角為45?；?45° 。在步驟S412中，測量并計(jì)算一歸一化光譜信 號。在步驟S414中，利用光軸方位角度與歸一化光譜信號，計(jì)算出相位差分布，而該相位差 分布可依公式(1)擬合或直接計(jì)算而得。此外，相位差分布亦可以方程式(4)擬合計(jì)算。
圖5顯示本發(fā)明另一實(shí)施范例的液晶單元的光學(xué)特性測量方法的流程圖。此一揭 示的流程圖是將方法二應(yīng)用于具扭轉(zhuǎn)角度的待測件。在步驟S502中，給定待測件的扭轉(zhuǎn)角 度(小)。在步驟S504中，在一投光探頭的一第一穿透軸與一收光探頭的一第二穿透軸間設(shè)定一相對角度，其中該相對角度為扭轉(zhuǎn)角度(小)或角度(小+90° )。在步驟S506中，多次 旋轉(zhuǎn)該投光探頭與該收光探頭(L、L和T》，并記錄其中每次的轉(zhuǎn)動角度(&和X》與光譜 信號。在步驟S508中，依所述旋轉(zhuǎn)角度與所述光譜信號計(jì)算該待測件的一光軸方位角度。 利用上述步驟中的1\、12和13及^、^，將公式(3)中的穿透軸夾角a計(jì)算出，此夾角a 即光軸方位角度。在步驟S510中，旋轉(zhuǎn)該投光探頭與該收光探頭至一測量角度，其中該測 量角度與該光軸方位角度的夾角為45?；?45° 。在步驟S512中，測量并計(jì)算一歸一化光 譜信號。在步驟S514中，利用光軸方位角度與歸一化光譜信號，計(jì)算出相位差分布，而該相 位差分布可依公式(1)擬合或直接計(jì)算而得。此外，相位差分布亦可以方程式(4)擬合計(jì) 算。 本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點(diǎn)已揭示如上，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員仍可能基于本發(fā) 明的教示及揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)不 限于實(shí)施范例所揭示者，而應(yīng)包括各種不背離本發(fā)明的替換及修飾，并被申請專利范圍所 涵蓋。
權(quán)利要求
一種液晶單元的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，用于測量一待測件的光學(xué)特性，該光學(xué)特性測量系統(tǒng)包含一光源，發(fā)出一具有多波長的發(fā)射光；一投光探頭，具有一第一穿透軸，用于將該發(fā)射光轉(zhuǎn)換為一投射于該待測件的偏振光束；一收光探頭，具有一第二穿透軸，用于分析從該偏振光束穿透該待測件后而產(chǎn)生的一偏振光束的偏振態(tài)，其中該第一穿透軸與該第二穿透軸間具一相對角度；一光譜儀，用于獲取該偏振光束的一光譜信號，其中該收光探頭耦接于該光譜儀；以及一信號分析單元，用于以多個(gè)該光譜信號及與各該光譜信號相對應(yīng)的多個(gè)轉(zhuǎn)動角度計(jì)算該待測件的一光軸方位角度及/或一相位差分布，其中各該光譜信號是將該投光探頭與該收光探頭在該轉(zhuǎn)動角度轉(zhuǎn)動后測量而得。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該光軸方位角度的計(jì)算基于下述公式其中，a為該第一穿透軸與該待測件的該光軸方位角度間的夾角；1\為該夾角為a 時(shí)，所獲得的該光譜信號；T2與T3分別為該投光探頭與該收光探頭轉(zhuǎn)動角度&及X2后所獲 得的該光譜信號。
3. 據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該光軸方位角度的計(jì)算基于下述公式<formula>formula see original document page 2</formula>其中，a為該第一穿透軸與該待測件的該光軸方位角度間的夾角；1\為該夾角為a 時(shí)，所獲得的該光譜信號；T2與T3分別為該投光探頭與該收光探頭轉(zhuǎn)動角度&及X2后所獲 得的該光譜信號。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該相對角度是該待測件的一扭轉(zhuǎn)角度小 或另一角度小+90° 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該相對角度是O?；?0° 。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該光軸方位角度的計(jì)算基于下述公式其中，a為該第一穿透軸軸與該待測件的該光軸方位角度間的夾角；L為該夾角為a 時(shí)，所獲得的該光譜信號；Tb為該投光探頭與該收光探頭轉(zhuǎn)動角度X后所獲得的該光譜信 號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該投光探頭包含一偏振片及一光準(zhǔn)直透鏡。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該偏振片是棱鏡式偏振片或薄片式偏振片。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該收光探頭包含一檢偏片及一光聚焦透鏡。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該檢偏片是棱鏡式或薄片式檢偏片。
11.根據(jù)權(quán)利要求l的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該收光探頭包含一偏振分光鏡及一光
12. 根據(jù)權(quán)利要求ll的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該偏振分光鏡是棱鏡式偏振分光鏡或 薄片式偏振分光鏡。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該光譜儀是多通道影像式光譜儀。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該相位差分布的計(jì)算為穿透光譜曲線 擬合求解法。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中基于柯西色散擬合求解法計(jì)算該相位 差分布。
16. —種液晶單元的光學(xué)特性測量方法，包含下列步驟在一投光探頭的第一穿透軸與一收光探頭的第二穿透軸間設(shè)定一相對角度； 多次旋轉(zhuǎn)該投光探頭與該收光探頭，并記錄其中每次的轉(zhuǎn)動角度與光譜信號；以及 依所述轉(zhuǎn)動角度與所述光譜信號計(jì)算待測件的光軸方位角度。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的光學(xué)特性測量方法，其中該光軸方位角度的計(jì)算基于下述公式T -T，其中，a為該第一穿透軸與該待測件的該光軸方位角度間的夾角；L為該夾角為a時(shí)，所獲得的該光譜信號；12與13分別為該投光探頭與該收光探頭轉(zhuǎn) 動角度&及X2后，所獲得的該光譜信號。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16的光學(xué)特性測量系統(tǒng)，其中該光軸方位角度的計(jì)算基于下述公式其中，a為該第一穿透軸與該待測件的該光軸方位角度間的夾角；1\為該夾角是a 時(shí)，所獲得的該光譜信號；T2與T3分別為該投光探頭與該收光探頭轉(zhuǎn)動角度&及X2后所獲 得的該光譜信號。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16的光學(xué)特性測量方法，其中該相對角度是該待測件的一扭轉(zhuǎn)角度 小或另一角度小+90° 。
20. 根據(jù)權(quán)利要求16的光學(xué)特性測量方法，其中該相對角度是0。或90° 。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16的光學(xué)特性測量方法，其中該光軸方位角度的計(jì)算基于下述公式其中，a為該第一穿透軸軸與該待測件的該光軸方位角度間的夾角；L為該夾角是a 時(shí)，所獲得的該光譜信號；Tb為該投光探頭與該收光探頭轉(zhuǎn)動角度X后，所獲得的該光譜信號。
22. 根據(jù)權(quán)利要求16的光學(xué)特性測量方法，其更包含下列步驟旋轉(zhuǎn)該投光探頭與該收光探頭至一測量角度，其中該測量角度與該光軸方位角度的夾角為45°或-45° ;測量歸一化光譜信號；以及利用該光軸方位角度與該歸一化光譜信號，其中基于穿透光譜曲線擬合求解法計(jì)算相 位差分布。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的光學(xué)特性測量方法，其更包含下列步驟旋轉(zhuǎn)該投光探頭與該收光探頭至一測量角度，其中該測量角度與該光軸方位角度的夾 角為45°或-45° ;測量該測量角度的歸一化光譜信號；以及利用該歸一化光譜信號，基于柯西色散擬合求解法計(jì)算相位差分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種液晶單元的光學(xué)特性測量系統(tǒng)及其方法，系統(tǒng)包含發(fā)出一個(gè)具有多波長的發(fā)射光的光源、一個(gè)用于將該發(fā)射光轉(zhuǎn)換為投射于該待測件的偏振光束的投光探頭、一個(gè)具有第二穿透軸且用于分析從該偏振光束穿透該待測件后而產(chǎn)生的偏振光束的偏振態(tài)的收光探頭、一用于獲取該偏振光束的光譜信號的光譜儀，以及一用于以多個(gè)該光譜信號及與各該光譜信號相對應(yīng)的多個(gè)轉(zhuǎn)動角度計(jì)算該待測件的光軸方位角度及/或相位差分布的信號分析單元。
文檔編號G01M11/02GK101762891SQ20081018783
公開日2010年6月30日 申請日期2008年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者劉志祥, 莊凱評, 林友崧 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院