根據完全米勒矩陣測量值確定液晶單元參數的方法和裝置的製作方法

2023-04-24 21:02:21 1

專利名稱：根據完全米勒矩陣測量值確定液晶單元參數的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及用於測量液晶單元的參數的裝置和技術，尤其涉 及用於測量液晶層(單元間隙(cell gap))的厚度、液晶分子在該液晶 層的厚度上所經受的扭轉角、位於該單元的液晶層和玻璃面邊界處的液 晶分子取向(配向(rubbing direction))以及液晶分子與相鄰玻璃板表面 之間的傾斜角(預傾斜)的裝置和方法。
背景技術：
液晶顯示器(LCD)通常由兩塊玻璃板以及密封在這兩塊玻璃板之 間的薄液晶層構成，這種裝配在本領域中稱作"疊層(stack)"。偏振 膜安裝在該疊層的兩側上。位於該疊層的 一塊玻璃板上的透明電極接收 電壓，所生成的電場施加到液晶材料的相鄰液晶分子上，從而導致這些 分子改變它們的取向。液晶分子的這種取向上的改變發生在電極之間的 疊層容積內。在電極較大的情況下，如數字觀看顯示器中的電極，則相 應的較大容積的液晶材料受到影響。在電極小的情況下，如電視屏幕或 者計算機顯示器的像素中的電極，對於每個電極而言，受影響的液晶材 料容積相應4艮小。因為液晶分子固然地是雙折射的，所以採用電的方法 來調整每個像素處的液晶分子的取向的能力可以控制在該像素的疊層 的每側上穿過偏振屏幕的光量。本領域所公知的是，LCD電視和計算機 屏幕的基礎是由形成像素的大量微小、透明電極所構成的陣列，每個電 極具有電可調整光透射特性，所述光透射特性是通過改變施加到各個電 極上的電壓電平來調整的。對於大的計算機顯示器或者電視而言，LCD屏幕中的像素數量可以達到數百萬個。現存有^f艮多種LCD設計。參照圖1,設計者可以選擇液晶分子定向 的指向矢(director)或者分子軸在靜止(即未向各個電極施加電壓)時 相對於第一玻璃表面取向所在的配向。通過適當選擇第二玻璃表面的配 向，能夠控制扭轉角①。參照圖2，還能夠控制單元間隙d和預傾斜角 ,所述單元間隙d是填充有液晶材料的玻璃板之間的空間，其中預傾 斜是液晶指向矢與玻璃表面之間的夾角。除了選擇這些單元參數之外， 設計者還選4奪安裝在該單元外表面上的偏振器(polarizer)以及放置在 液晶單元與所述偏振器之間的任何雙折射膜的定向。作為一個實例， 一般的LCD設計是扭轉向列(TN)配置，其中選 擇扭轉角0為90。。典型的TNLCD可以具有8°的預傾斜角0，以及 大約5微米的單元間隙d。其它設計包括具有180到270度之間的扭轉 角的超扭轉向列(STN)模式、具有0°扭轉角的面內切換(IPS )和光 學補償雙折射(OCB)模式，以及具有接近90。預傾斜角的垂直對準向 列(VAN)模式。許多其他模式也已經被設計和開發出來了。這些設計 中的每一種都具有其自身特定的強項和弱項。 一些設計具有優越的視場 特性，而其他設計則具有優越的切換響應時間，而另外的設計可以具有 最低的製造成本。無論單元或板是如何設計的，LCD最終的性能則取決於製造具有正 確的配向、扭轉角、單元間隙和預傾斜角的值的單元。已經介紹了用於 測量這些參數中的一部分或全部的多種技術和儀器。然而，這些技術和 儀器通常緩慢，為了測量液晶單元上的單一小位置要大約需要花費 20-30秒量級的時間。因此，在製造過程中，可能僅測試單元上的5個 位置，這些位置處於中心以及一般處於每個角落區域中。這種測量檢測 單元缺陷，例如配向的失準、單元厚度的非均勻性以及其它缺陷。用於測量這些參數的儀器是製造LCD單元或板並對其進行質量控 制，以及用於研究和開發的關鍵工具。顯然，上述的現有測量設備和方 法的緩慢速率限制了製造過程中單元的產量。用於測量這些參數的現有 儀器還常常要求若干所述參數是預先已知的，並且可能僅在有限的值範 圍上提供準確測量值。例如，現有的測量系統可能要求預先知道單元的 配向，並且可能僅能夠測量在0到30度範圍內的預傾斜角。另一種現 有測量系統可能無法區分液晶分子中的順時針和逆時針扭轉方向。申請人的發明能夠同時測量任何液晶單元的配向、扭轉角度、單元 間隙和預傾斜。本發明還具有優於現有技術的顯著優點。如下所述，現 有技術描述了僅測量所希望參數的子集的技術，或者僅對單元的特定模 式起作用的技術，或者需要預先知道一部分所希望參數的技術，或者需要LC單元被旋轉以便完成測量的技術。本發明則不存在這些局限性。美國專利No.5239365中所公開的發明描述了 一種用於測量扭轉液 晶單元厚度的技術。然而，這種技術需要配向和扭轉角度先驗知識。通過沿著適當方向對準線性偏振器(polarizer)，這種技術能夠根據光譜 透射率測量值來確定單元的延遲，並且繼而能夠基於液晶材料已知的雙 折射率△n來計算單元間隙。這種技術無法測量扭轉角或配向。美國專利No.5532823中所公開的發明改進了現有技術。通過穿過 交叉偏振器進行光i普透射率測量，並且通過允許偏振器之間的液晶單元 連續旋轉，將近似方法用於確定扭轉角、配向和單元間隙。這種技術要 求扭轉角小於120。，並且因此而不能用於測量STN才莫式的單元。美國專利No.6081337中描述了進一步的改進。在這種技術中，液 晶單元不被旋轉。取而代之的是，在單元之前和之後的偏振器旋轉，同 時進行光譜透射率測量。描述了一種算法，由此確定兩個偏振器的適當 旋轉角，並且能夠確定配向、扭轉角和單元間隙。射的光的線性偏振分量來確定液晶單元的屬性。然而，扭轉液晶單元的 手徵性(chiral)結構使得能夠通過調查圓和橢圓偏振態來獲得大量的附 加信息。美國專利No.6300954 i人識到衝全查從液晶單元出射的光的完全 偏振態(斯託克斯向量)的有效性。然而，這種技術僅將線性偏光射入 到單元中。旋轉該單元，以便找到能夠引起測得的透射光束有最大值或 最小值的取向。以所定位的取向，能夠根據測得的斯託克斯向量來確定 單元間隙和扭轉角。然而，即使這種最近的現有技術也要求旋轉液晶單 元以進行測量，並且不測量配向。在本發明中，示出快速且準確地測量液晶單元的單元間隙、扭轉角 度和配向，有利的是，以一種或多種波長測量該單元的完全米勒 (Mueller)矩陣。眾所周知的是，準確地測量樣本的米勒矩陣要求以多 種偏振態(諸如線偏振、橢圓偏振和圓偏振，包括左手和右手旋轉)照 射樣本，並且在它們與樣本相互作用之後分析類似的多種偏振態。如果適當地執行了測量，則能夠測量樣本的米勒矩陣。該米勒矩陣內包含樣本所有可能的偏振改變的屬性，包括延遲(retarder)屬性、偏振器屬性 以及去偏振屬性。在本發明之前，僅有4艮少幾篇描述液晶單元的理論或 測量米勒矩陣的論文。"J. Opt. Soc. Am." (Vol.68,第1756-1767頁，1979)中的描述教 導了一種通過數學方法得出扭轉向列液晶單元的米勒矩陣的方式。然 而，並沒有提供進一步的分析，並且沒有給出實驗結果。在"Appl. Opt."(Vol.37,第937-945頁，1998 )中，通過計算理論米勒矩陣的偏振特 徵態，促進了對扭轉向列液晶單元的米勒矩陣的數學推導。然而，沒有 表示出測量值，並且這項工作的目的是找出扭轉向列液晶單元的偏振特 徵態，以使得該設備能夠被用來實現唯相位調製，以可能性地用於光學 相關或者其他光學計算用途。該理論工作實際上遵循了 "Opt. Lett."(vol.18,第1567-1569頁，1993 )中所描述的實驗測量，這是我們唯一 所知道的表示出扭轉向列液晶設備的測量偏振特徵態的參考文獻。這些 測量是以單一波長進行的，並且是根據施加到液晶的電壓而做出的。這 項工作的目的是找到這些特徵態，以使得該設備能夠用作單獨相位調製 器，以用於光學相關用途。最後，在"Meas. Sci. Technol." (Vol.12, 第1938-1948頁，2001 )中，我們發現了我們所知道的有關液晶單元的 米勒矩陣僅有的另一組測量值。在該文章中，利用米勒矩陣測量對鐵電 液晶單元的晶體非對稱'性和切換響應時間進行了調查。總結我們對於現有技術的調查，可以看出，現有技術可以分成兩類描述了用於測量液晶單元的物理屬性的方法和裝置的專利，以及在理論 上對液晶單元的米勒矩陣建模或者通過實驗測量該矩陣的學術研究論文。專利技術正在從能力有限的簡單系統朝著能夠測量液晶單元的更多 偏振屬性並且由此能夠測量更多參數的更複雜的系統發展。然而，還沒 有專利技術主張完全偏振特徵化，即完全米勒矩陣測量所需的系統複雜 程度。學術研究論文已經得出了液晶的米勒矩陣應為何樣，或者已經通 過出於各種研究目的所進行的分析測量了液晶單元的米勒矩陣。這些論 文的目的始終是調查LC單元的光學屬性。這些論文沒有考慮到轉化問 題，也就是說，利用測得的光學屬性回溯並且確定該單元的物理屬性。 沒有 一篇論文提出了主張使用完全米勒矩陣測量以用於同時且唯一地 確定液晶單元的配向、扭轉角度、單元間隙和預傾斜的實^^測量或者理論分析。因此，本發明的一個目的是提供一種液晶單元的米勒矩陣的測量方 法，其中能夠確切地確定包括單元間隙、扭轉角度和配向在內的參數中 的一個或多個，即使預先不知道這些參數的值也能夠確定出。本發明的另一個目的是提供一種用於測量液晶單元的光學屬性的 測量裝置，即使預先不知道該單元的單元間隙、扭轉角度和配向也能夠 測量，並且該測量裝置在測量過程中不需要旋轉該液晶單元。本發明的另一個目的是一種製造具有所希望的單元間隙、扭轉角度 和配向的值的液晶i殳備的方法。本發明的又一個目的是提供一種液晶單元的米勒矩陣的測量方法， 其中通過改變測量光束在液晶設備上的入射角來確定液晶指向矢的預傾斜，並且其中該預傾斜角可以是從0到90度的任何值。本發明的又一個目的是一種用於測量液晶單元的液晶指向矢的預傾斜的測量裝置，其中該預傾斜角可以是從O到90度的任何值。本發明的再一個目的是一種製造具有所希望的預傾斜角的值的液晶設備的方法。通過閱讀如下所附的說明書，本發明進一步的目的將變得清楚明白。


圖1是扭轉排列的液晶分子的3D示意圖。在輸入(入射)玻璃處， 分子指向矢與配向a對準，並且當它們到達出射側時一律扭轉了扭轉角 O。圖2表示了從輸入(入射)側到出射側沒有扭轉的液晶指向矢的概 略側視圖。此處，單元間隙由d表示，並且指向矢的預傾斜角由0表示。 圖3是表示測量液晶單元的米勒矩陣所必需的組件的框圖。 圖4是在圖3所示的框圖上擴展的米勒矩陣測量系統的一種實現方 式的框圖。圖5是機械固定設備的圖示，其中自動機(robot)致動器使LCD 設備在X Y平面內在偏振態發生器與偏振態分析器之間平移，以用於映 射出液晶參數的空間變化。此外，將該偏振態發生器與偏振態分析器安 裝在能夠傾斜並旋轉以實現任意入射方向和角度的固定設備上，從而允許測量液晶的預傾斜角。圖6a和6b是均具有相同預傾斜並且均具有0扭轉角的兩個單元的 圖示。圖6a示出了所謂的"張開(splay)"狀態，而圖6b示出了 "彎曲"狀態。圖7是圖示用於測量液晶單元參數的 一 種可能過程的流程圖。圖8示出了向列扭轉液晶單元的歸一化米勒矩陣。已經根據波長繪製了 16個矩陣元素中的每一個。圖9a和9b按照在Poincare Sphere (邦加球)上的軌跡示出了圖8所示的向列扭轉液晶單元的延遲和快軸(本徵偏振)。圖10示出了可以在研究和開發環境中使用的圖形用戶界面的實例。 圖11示出了可以在生產環境中使用的圖形用戶界面的實例。
具體實施方式
為了測量液晶單元的米勒矩陣，將形成為多種不同偏振態的光引導 到液晶單元中，該單元根據單元屬性改變這些偏振態。偏振敏感^r測系 統分析從該單元出來的偏振態。為了準確地測量米勒矩陣，所生成的包 含多種偏振態和所測得的偏振態的光輸入必須均對大部分邦加球 (Poincare Sphere)球進行採樣。也就是說，必須生成並且分析具有顯 著不同的取向、橢圓率和旋向性的多種偏振態。 一旦已經測量了液晶單 元的米勒矩陣，就確定了單元間隙、扭轉角度和配向。如果這三個參數 預先全都不知道，則需要以多個波長進行米勒矩陣測量，並且這些參數 在該單元的計算機模擬中被迭代地改變，直到該模擬和測量儘可能接近 地匹配為止。在其他情況中，例如預先知道了扭轉角度和配向的值，則 以單一波長進行的米勒矩陣測量就足以確定單元間隙了 。上述測量通常需要在測量之前就知道雙折射率An和預傾斜角0, 這是最為常見的情況。如果不確切地知道預傾斜，則有利的是，能夠測 量預傾斜角。為了測量預傾斜角，除了允許測量光束的輸入方向和入射角改變的 機械固定設備之外，要使用上述的相同米勒矩陣測量技術。通過按照入 射角測量米勒矩陣，並且通過將這些所測得的結果與分析表達式或者計 算機模擬相比較，能夠確定液晶的預傾斜角。圖3圖示了本發明的基本元件。偏振態發生器10生成具有隨時間變化的偏振態的光束12。該光束與樣本14發生作用(該樣本在這種情況下是LCD單元)，造成光束12的一部分或者全部偏振態發生改變。 所改變的偏振態由偏振態分析器16進行分析。偏振態分析器16測量隨 時間變化的偏振態序列，或者同時可以通過分光束並且使得被分的光束 均通過各個不同的固定偏振元件和檢測器，來測量離散數量的固定偏振 態。所述偏振態發生器和偏振態分析器均由諸如微控制器或者個人計算 機之類的處理器18進行控制。處理器18根據偏振態發生器10所發射 的已知偏振態和來自偏振態分析器16的測得值計算該樣本的米勒矩陣 (圖8)。 一旦已經測量了米勒矩陣，處理器18就計算所希望的液晶單 元14的參數，例如單元間隙、扭轉角度、配向和預傾斜角，以在製造 過程中儘可能早地確定那些有缺陷的LCD單元。需要強調的是，與目 前現有技術的方法所需的大約20 - 30秒相比，本申請人的發明對於待 測LCD單元上的每個位置，可以在小於大約1秒的時間內快速地確定 所述參數。這種測試一般涉及成品LCD觀看屏幕的色純度。例如，在 標稱為5微米的單元間隙變化超出工廠技術規範之外的情況下，變化的 區域會在白色或黑色的屏幕上產生主要為較亮或較暗的陰影區域。在電 視或者計算機屏幕上，這樣的區域可能會具有與超公差區域有關的顯著 的不希望的顏色。因此，重要的是在製造過程中儘早識別這些有缺陷的 單元，從而可以丟棄或者再循環使用這些單元。在製造過程中，隨後對 該LCD單元執行進一步測試，例如電測試，以確定若干可能的死像素。 如引用申請中所迷的，控制器20、 21控制狀態發生器IO和狀態分析器 16的旋轉速率。圖4圖示了如以上引用的本人的名為"Complete Polarimeter"的專 利申請中所充分描述的本人發明的米勒矩陣測量系統的 一 種可能的實 施例，所述申請的裝置可以;故適當縮放，並且用來獲得LCD單元的測 量。對於所引用申請的裝置的一種考慮的修改是擴大X-Y可平移臺面， 以便收納LCD單元來進行採樣。在本申請中，圖3的偏振態發生器被 示為提供由光源24生成的準直光束22,該光束被引導穿過水平的線性 偏振器26,繼而穿過具有大約1/3延遲波的連續旋轉的延遲器(redarder) 28。如所引用申請中所述的，這產生了穿過樣本30 (即安裝在大小適當 的X-Y可平移檯面上的LCD單元)而投射的隨時間變化的偏振態的連 續性，，以使得該單元可以被移動，從而測量該單元的各位置。圖3的偏振態分析器16可以被構成為具有連續旋轉的延遲器31,該延遲器具有大約三分之一延遲波，隨後是水平的線性偏振器32,隨後是光電檢測 器34。兩個旋轉的延遲器28、 31以近似5: 1的非完全整數比進行旋轉， 而所述處理器計算該單元的米勒矩陣。圖5概略圖示了所引用申請中所示的系統，其中偏振態發生器10 和偏振態分析器16 #1安裝在自動機控制系統40內，該系統保持發生器 10與分析器40的對準，同時允許準直的光束22的入射角改變，能夠達 到約80度。這通過發生器10和分析器16所安裝到的自動機控制系統 來便於進行，所述系統為2軸系統，從而光束22可以被在任意角度方 向引導以穿過單元30。此外，自動機控制器40包括在多個方向移動單 元30的線性平移器42,從而可以檢測單元30上的多個位置。本發明包括測量特定的米勒矩陣組並且利用該數據計算液晶單元 30所希望的參數的附加步驟，這些參數例如單元間隙、扭轉角、配向和 預傾斜角。選擇哪一個米勒矩陣組進行測量取決於哪些液晶參數是預先 知道的，以及哪些液晶參數是要測量的。例如，預傾斜角通常是已知的， 並且在這種情況下以 一 種或多種波長以法向入射測量米勒矩陣提供了 計算單元間隙、扭轉角和配向所需的充足數據。作為另一個實例，通常 知道扭轉角為O。在這種情況下，通過根據入射角測量米勒矩陣，就能 夠確定預傾斜和單元間隙，其中入射平面選擇為沿著液晶指向矢或者垂 直於液晶指向矢。在不知道有關液晶單元的信息的情況下，能夠以一種 或多種波長以及一個或多個入射角測量米勒矩陣，以便確定全部單元參 數。在所有情況中，根據所測得的米勒矩陣來計算液晶單元參數的技術 是相同的，並且如下所述。為了確定液晶單元的參數，將所測得的米勒矩陣與該單元的數學模 型(計算機模擬)進行比較，其中該模型具有配向、扭轉角、單元間隙 和預傾斜角的自由參數。典型地，已經知道液晶材料的雙折射率An是 波長的函數。可能的是，僅知道在一個波長時的雙折射率，並且波長色 散在該模型中也是自由參數。為了建立該數學模型，所述液晶單元被建模成單軸雙折射材料的Q 個單獨的均勻層，其中Q是大數，例如50。對於具有大扭轉角的液晶 單元而言，或者在必要或所希望的其它情況中，可以使用或者需要大量 的(例如約400個)層來提高模擬的準確度。每個雙折射層被建模為分別具有已知的ne和n。(尋常和非尋常折射率)值的單軸材料。折射率橢 圓體的非尋常軸沿著每個單獨層的液晶分子的指向矢對準。對於與該單元的玻璃板相接觸的層1和層Q而言，該指向矢相對於法線傾斜了該單 元的預傾斜角。對於層1而言，xy平面中的指向矢的取向由配向給定。 對於層Q而言，xy平面中的指向矢取向由層1的配向加上扭轉角給定。 對於層2到Q-l而言，傾斜角和取向被建模為從層1到層Q線性變化， 當沒有向液晶單元施加電壓時，這是一種有效的，i設，因為這接近液晶 分子的最低自由能量配置或者靜止狀態。在另一種情況中，在希望或者 需要更高的數學模型準確度的情況下，能夠利用採取諸如液晶分子的彈 性係數之類的已知方式變化的力學模擬的結果取代傾斜角和取向的線 性變化。這種^t擬將所;漠擬的液晶材料的非線性的方面考慮在內。彈性 連續性理論就是基於這種確定液晶分子的最低自由能量配置的手段。使 用彈性連續性理論模型將提高模擬準確度，但是也會提高所需的計算時 間。為了說明這種;f莫型，參照圖1、 6a和6b。在圖1中，我們看到其中 示出22個層的情況，這22個層被標記為1 - 22(Q = 22),預傾斜為0, 層l處的指向矢取向為oc,該取向線性變化到層Q處的角度a + cJ)。在 圖6中，我們看到其中Q = 22的兩種情況，層1和層Q處的取向為相同 的角度G),並且扭轉角為0。圖6中的上部視圖示出了這個單元的"張 開"模式，圖6中的下部視圖表示了這個單元的"彎曲"模式。這兩種 ^t式之間的差別在於允許穿過該單元傾斜角線性增大還是線性減小。這 兩種模式是可以由液晶單元製造商通過物理方法實現的，並且能夠對每 種模式進行建模。為了實現這種模型，根據已知的光學波長、已知的光傳播方向、已 知的液晶材料雙折射率以及假定的預傾斜、配向、單元間隙和扭轉角的 值，來計算每層的米勒矩陣。 一旦計算了 Q個單獨的米勒矩陣，就按照 如下計算該單元的總米勒矩陣Mceu-MQMQ小.，M2Mi 其中繼而在所測量的數據集中針對每個光學波長或者入射方向來計算 Mcell。繼而迭代地修改假設的預傾斜、配向、單元間隙和扭轉角的值， 直到所建模的米勒矩陣以建模點與測量點之間有最小可實現RMS差來 匹配被測米勒矩陣為止。如本領域技術人員公知的，諸如高斯-牛頓方法、梯度下降方法或者Levenberg-Marquardt算法之類的任何標準的優化 算法均適用於此目的。圖7是確定液晶單元參數所需的方法的流程圖。此處，在框50,激 勵光源24,延遲器28、 31開始旋轉。計算機18從光電檢測器34獲得 信號用於處理。在框52,如果必要，可以在多個波長時採集樣本。可以以幾種方式 來實現在多個波長時生成數據。例如，光源24可以是白光源，例如卣 素燈泡或者弧光燈，隨後是包含多個窄帶幹涉濾光器的電動濾光器輪。 典型地，在計算機或者控制器的控制之下，通過從處理器18經由RS-232 埠向濾光器輪發送命令，就能夠單獨選擇這些光譜濾光器。作為選擇， 光源24可以包括白光源，隨後是單色器，它允許通過從處理器18發送 命令選擇任意的波長。作為選擇，光源24可以包括白光源，並且光電 檢測器3可以包括分光計。在框54,可以選擇多個入射角以進行採樣。通過處理器18向自動 機夾具(fixture) 40發送適當的命令來生成這些入射角。在框56,計算被測的米勒矩陣。對於每個波長和入射角設定，確定 一個被測的米勒矩陣。這些是描述正在測量的單元的米勒矩陣。在框58,執行計算機才莫擬，該模擬根據對單元間隙、扭轉角、配向 和預傾斜的初始估計來計算模擬的米勒矩陣。對於每個測得的波長和入 射角計算一個模擬的米勒矩陣，即來自該樣本的每個被測米勒矩陣將具 有一個相應的^t擬米勒矩陣。在框60,迭代地改變單元間隙、扭轉角、 配向和預傾斜中的一個或多個的初始猜測值。在每次迭代時，計算新的 模擬米勒矩陣，並且繼而將其與被測米勒矩陣進行比較。被模擬和被測 量的米勒矩陣的元素之間的RMS差^L用作優化過程中的品質因數。迭 代地改變在邱皮模擬米勒矩陣中估計的單元參數，直到RMS差變為最小 化為止，或者直到RMS差達到足夠低的值為止，這通常表示與受測LCD 單元接近匹配。用於選擇迭代步長大小以及使優化程序向 一個解收斂的 速度最大化的技術對於本領域技術人員而言是公知的。例如，高斯-牛 頓方法、梯度下降方法和Levenberg-Marquardt算法都適用於此目的。一 旦知道了單元間隙、扭轉角、配向和預傾斜的最優化值，就在框62將 這些值報告給用戶。當使建模的數據與被測米勒矩陣匹配時，有利的是，匹配歸一化的米勒矩陣的較低3x3子矩陣中的值。使用歸一化的米勒矩陣從計算中 去除了該單元的濾色器或者其它光譜屬性的影響。較低3x3子矩陣包 含米勒矩陣的延遲信息，並且典型地，液晶設備是只有延遲的設備。當 入射角不是0度時，玻璃單元的s和p反射率之差將引起一定的二次衰 減，即該單元也將起到部分偏振器的作用。在這種情況下，有利的是， 對米勒矩陣執行極分解(polar decomposition)並且僅對純延遲的米勒矩 陣執4亍曲線擬合。圖8圖示了向列扭轉型液晶單元的歸一化米勒矩陣的分項。該米勒 矩陣的元素隨著波長而平滑變化。甚至是對於其中延遲級別跨過多個級 別的最一般的情況，米勒矩陣元素也表現平滑且不具有不連續性，從而 使得該米勒矩陣元素最適於曲線擬合。圖9a和9b示出了與圖8所示相同的數據，但是圖9a示出了延遲幅 度，而圖9b示出了已經通過對圖8中的米勒矩陣數據進行特徵分析而 計算得到的延遲快軸。本領域技術人員公知的是，每當延遲幅度超過附 加的180度延遲，計算得到的延遲和快軸就將具有不連續性。有必要做 的是確定在每一點處真正的延遲"級別(order)，，並且應用試圖展開 該幅度和快軸的算法以使得曲線圖是連續的。實際上，如通過在680nm 和更小波長時超過180度的延遲所能夠看出的，已經展開了圖9a和9b 中的數據。儘管圖9a和9b非常有助於理解並且形象化液晶器件的行為， 但是對於曲線擬合的實際動作它卻不太有效。圖10通過舉例的方式圖示了一種可能的圖形用戶界面，研究者可 以在研發環境中使用所述圖形用戶界面來控制本發明並且解譯所產生 的數據。在此，向研究者呈現邦加球和延遲相對波長的圖形表示。單元 間隙、刷(brush)傾角、扭轉角、預傾斜和入射角的滑塊能夠單獨地操 縱各單元參數。此外，垂直和水平滑塊允許操縱邦加球從而允許從方便 的取向對其進行觀察。這種對於單元參數的操縱有助於將才莫擬的偏振屬 性與測量的偏振屬性進行比較。此外，能夠按壓"計算(CALCULATE)" 按鈕來開始優化程序，該程序根據所測量的米勒矩陣數據確定最佳擬合 的單元參數。在製造環境中，技術人員和工人將以裝配線的方式反覆地對多個單 元進行相同的測量，可能優選地是諸如圖11所示的簡化界面。此處， 利用指向設備的單一按鈕點擊或者在觸控螢幕上觸摸等能夠執行完全的測量。按壓"執行單一測量(Perform Single Measurement)，，按鈕將自 動地測量並且顯示單元間隙、配向、扭轉角和預傾斜的值。這種測量可 以基於預先規定的"配方"。這種配方可以指示出要測量的傾斜角、光 學波長和單元位置是什麼，並且可以制定存儲測得的參數的資料庫。當 預先知道單元參數中的一個或多個，並且因此無需對其進行測量時，能 夠輸入這些參數，並且繼而能夠將它們從優化程序中排除。需要強調的 是，如果預先不知道參數中的任何一個，則能夠對該系統進行編程，從 而以足夠多的波長和入射角進行測量，以便能夠計算所有參數。該界面 還可以包括讓操作者測量單元上的特定XY位置，或者執行自動的XY 映射測量的按鈕。應當注意的是，在本申請中，我已經描述了通過以下步驟確定液晶 單元的物理參數的技術引導一系列不同偏振態穿過液晶單元，被改變 的偏振態繼而穿過偏振態分析器，利用光電檢測器測量每個被分析的偏知偏振態來計算液晶單元的米勒矩陣，以:種或多種光學波長和一個和 多個入射光束方向進行米勒矩陣測量，針對相同光學波長和入射光束方 向展開對液晶單元的米勒矩陣的計算機模擬，迭代地改變計算機模擬的 參數，直到模擬米勒矩陣和所測得的米勒矩陣之間的RMS差被最小化 為止，並且所產生的計算機^t擬的最終參數描述了該液晶單元的實際參 數(單元間隙、配向、扭轉角、預傾斜角)。本領域技術人員應當理解， 能夠將這些步驟略微改變或者重新分組，並且仍然落在本發明的範圍之 內。例如，可以通過去除將所測得的光學功率轉變為米勒矩陣的步驟， 並且將模擬由光電檢測器所測得的光學功率的另 一 步驟添加到計算機 模擬中，繼而迭代地改變計算機模擬的參數以使得模擬的光學功率與所 測得的光學功率之間的RMS差最小化，而取代直接比較米勒矩陣，也 可以確切地實現相同的結果。作為選擇，也可以選擇使峰差最小化，取 代米勒矩陣之間的RMS差以獲得類似的結果。還應當注意的是，在本申請中，我已經談到了樣本單元的米勒矩陣。 已經描述的全部內容對於測量樣本的瓊斯(Jones)矩陣的系統也同樣有 效。對於不具有消偏振效應的樣本而言，在米勒矩陣與瓊斯矩陣之間存 在一對一的關係(少了能夠任意被乘到瓊斯矩陣中的絕對相位項)。一 般而言，米勒矩陣對於實驗工作更有利，這是因為它還能夠包括消偏振效應，並且它不具有瓊斯矩陣中所存在的未確定的絕對相位項。無論如 何，使用所觀'J得的瓊斯矩陣取代米勒矩陣的技術是本發明的另 一 實施例。最後，應當注意的是，可以對於液晶計算機才莫擬做出幾種略微變化，均落在本發明的範圍之內。當在不為0的入射角時計算液晶單元的米勒矩陣，能夠根據菲涅爾反射係數對液晶單元玻璃板的部分偏振化效應進 行建模，並且繼而將這些模擬的米勒矩陣與如上所述的測得的米勒矩陣 進行比較。如果該模擬忽略非o入射角時的菲涅爾反射係數，並且對於 所測得的米勒矩陣執行極分解，從而將所測得的米勒矩陣的純延遲部分 與模擬米勒矩陣進行比較，這將給出與先前所述相同的結果。利用當前使用的速度超過3GHz、 64位的處理器、雙核處理器等的 計算機，用於確定與LCD單元有關的參數並且將計算得到的這些參數 與計算機模擬進行比較的米勒矩陣計算極快。能夠相當好地實現每秒超 過5000個模擬的LCD米勒矩陣的計算。如上所述，可以在小於大約l 秒的時間內完成這種建;f莫和計算，從而將測試時間從每個單元約2-3 分鐘減少到幾秒，從而大大提高了測試程序的吞吐量。已經描述了本發明及其使用方式，本領域技術人員應當理解的是， 可以對本發明進行附帶的變化，這些變化均落在所附權利要求的範圍之 內。
權利要求
1.一種用於確定表示受測液晶單元質量的至少一個物理參數的方法，包括A)測量所述受測液晶單元(14、30)的偏振屬性，B)在計算機處理設備(18)中，開發液晶單元的模型(58、60)，所述模型(58、60)使用一個或多個估計的物理參數來為所述受測液晶單元進行建模，C)調整所述液晶單元(14、30)的所述模型(58、60)的所述一個或多個估計的物理參數的值，直到在液晶單元的所述模型(58、60)的計算偏振屬性與所述受測液晶單元(14、30)的所測得的所述偏振屬性之間獲得接近匹配為止，D)根據液晶單元的接近匹配的所述模型(58、60)提供對於所述受測液晶單元(14、30)的質量的表示(62，圖10，圖11)。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述A)進一步包括發射並且 分析均具有顯著不同的取向、橢圓率和旋向性的多種偏振態(12、 22) 中數量足夠的偏振態，以覆蓋大部分邦加球(圖9b)穿過所述受測液晶 單元(14、 30)。
3. 根據權利要求2所述的方法，進一步包括改變入射角、所述入 射角的方向，或者改變所述入射角以及所述入射角的所述方向這二者(圖5),以此發射具有不同取向、橢圓率和旋向性(12、 22)的所述 多種偏振態穿過所述液晶單元，以便確定預傾斜。
4. 根據權利要求2所述的方法，其中所述發射並分析多種偏振態 (12、 22)中足夠數量的偏振態進一步包括把由偏振態發生器(10)生成的偏振態序列對準所述受測液晶單元(14、 30),偏振態序列中的 每個偏振態與所述偏振態序列中的其他偏振態在取向、橢圓率和旋向性 上不同。
5. 根據權利要求2所述的方法，進一步包括計算所述受測液晶單元的偏振矩陣(56,圖8)，所述偏振矩陣表 示通過分析由所述受測液晶單元(14、 30)所更改的所述多種偏振態而 獲得的偏振屬性，計算表示所述受測液晶單元的所述計算機模型(58)的偏振屬性的 偏振矩陣(圖8),在所述計算機模型(58)中迭代地修改所述估計物理參數中的所述 一個或多個，包括預傾斜、配向、單元間隙以及扭轉角度(60)，直到 表示所述計算機^t型的偏振屬性的所述偏振矩陣(圖8)與所述受測液 晶單元(14、 30)的所述偏振矩陣接近匹配為止。
6. 根據權利要求5所述的方法，進一步包括僅考慮每個所述偏振 矩陣的延遲分量來計算所述受測液晶單元(14、 30)的所述偏振矩陣(圖 8)以及所述計算機模型(58)的所述偏振矩陣。
7. 根據權利要求6所述的方法，進一步包括把所述偏振態序列對準一個或多個入射角並且從一個或多個方向 (圖5)穿過所述受測液晶單元(14、 30),對所述受測液晶單元(14、 30)的所述偏振矩陣(圖8)執行極分解，對所述受測液晶單元(14、 30)的所述偏振矩陣執行曲線擬合，以 便使得表示所述計算機模型(圖8)的偏振屬性的所述偏振矩陣的所述 元素與表示所述受測液晶單元(圖8)的所述偏振屬性的所述偏振矩陣 的相應元素之間的差最小化。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中所述B)進一步包括將液晶單元的所述模型的截面表示為由單軸雙折射材料的多個均 勻層，每層具有已知的尋常和非尋常折射率值，其中所述層的取向和傾 斜按照已知的方式變化(圖1,圖2),針對所述均勻層(圖1,圖2)的每個所述層計算偏振矩陣(圖8), 根據分別從所述多個均勻層開發出的多個偏振矩陣，計算液晶單元 的所述模型的複合偏振矩陣(58)。
9. 根據權利要求8所述的方法，進一步包括獲得所述複合偏振矩 陣與從所述受測液晶單元(14、 30)的所述偏振屬性所獲得的所述偏振 矩陣的元素之間的最低RMS差，以便確定何時表示所述受測液晶單元 的偏振屬性的所述偏振矩陣與所述複合偏振矩陣接近匹配。
10. 根據權利要求9所述的方法，進一步包括發射所述多種偏振態 (12、 22)中的足夠數量的偏振態，以計算用於獲得所述最低RMS差的米勒矩陣(圖8)或者用於獲得所述最低RMS差的瓊斯矩陣。
11. 根據權利要求1所述的方法，其中所述C)進一步包括迭代地改 變(60)對應於所述計算機^t型中的所述估計的物理參數中的一個或多個的一個或多個數學值，直到獲得所述接近匹配為止。
12. 根據權利要求1所述的方法，其中所述D)進一步包括顯示(62, 圖10,圖11)表示所述受測液晶單元(14、 30)的物理參數的所述估 計的物理參數中4妻近匹配的所述一個或多個。
13. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括 允許對所述受測液晶單元(14、 30)的所述至少一個估計的物理參數中的哪些參數進行測量做出選擇，在液晶單元(58、 60)的所述^t型中預先把所述至少一個估計的物 理參數中的物理參數保持為常數。
14. 根據權利要求1所述的方法，進一步包括允許選擇所述受測 液晶單元(14、 30)上的一個或多個選定位置進行測量，或者自動地利 用要測量的所述受測液晶單元(14、 30)上的預定XY坐標的映射進行 的測量。
全文摘要
本發明公開了一種用於測試LCD板的方法和裝置。可以將受測LCD板(30)安裝到偏振態發生器(10)與偏振態分析器(16)之間的可平移的臺面(40)上。對於受測單元(30)上的每個位置，多種已知的偏振態(22)被發射穿過LCD單元(30)，並且被偏振態分析器(16)檢測。計算機獲取表示偏振態的電信號。在計算機內，根據LCD單元(30)的物理參數被認為是什麼的估計而開發LCD單元(30)的偏振屬性的模型。通過迭代地精化建模的物理單元屬性，使得模擬的偏振屬性與所測量的偏振屬性之間的RMS差最小化，此時可以推導出LCD單元的單元厚度和其他物理參數。
文檔編號G01B11/16GK101238350SQ200680028898
公開日2008年8月6日 申請日期2006年6月9日 優先權日2005年6月10日
發明者M·H·史密斯 申請人:阿克索梅特裡克斯公司