测量液晶层厚度的方法和装置的制作方法

专利名称：测量液晶层厚度的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种方法和装置，用于测量具有在厚度方向均匀的双折射率Δn的双折射体的厚度，诸如，包括在液晶显示元件中的经准直处理的液晶层。
在极宽的领域中，利用液晶显示元件作为显示器，由于它们具有较小的功率损耗、较小的尺寸，以及重量较轻。近年来，尤其是反射型彩色液晶显示元件已经进入实际使用，对它的需求快速增长。
这里分别描述反射型彩色液晶显示器、传统的反射型液晶显示器以及传统的传输型液晶显示器的相应的特征。如在图20中所示，传统的传输型液晶显示器111包括由一对透明衬底12构成的液晶单元100，偏振板14或椭圆偏振板放在透明衬底的外侧。施加到液晶层11的电压改变液晶分子的排列并控制通过液晶层传输的光的偏振状态。在经控制的偏振状态下，光通过输出侧的偏振板14发射，以致根据偏振状态产生亮度差，结果得到所要求的显示。此外，如在图21中所示，传统的传输型液晶显示器112还使用基本上与传输型的液晶单元相同的液晶单元100，并进一步把反射器15附加到背侧的偏振板14的外侧，用于显示。
然而，随着近年来得到较精细的图象元件，在把反射器15附加到传统反射型液晶显示器112上用于显示的外侧的传统方法已经引起一个问题，其中，由于在反射器15和液晶层11之间的衬底12和偏振板14的厚度产生视差而使图象成为双重。特别，当用于彩色显示器时，双重图象引起色彩混合(colormixture)，这大大地降低了显示质量。此外，当使用微滤色片进行彩色显示时，在输入侧以一个角度入射的光通过不同颜色的滤色片传输而使出射侧彩色饱和度降低，从而大大地降低了彩色再现特性。
为了解决这个问题，提出如在图22中所示的一种结构，其中，把反射器15放在液晶单元101内。因为这种结构可以抑制由于视差和彩色再现的降低而引起的双重图象，所以反射型彩色液晶显示器113主要使用这种把反射器放在液晶单元101内的结构。在反射型彩色液晶显示器113中，通过在液晶单元101中的反射器15反射光，这与传统的反射型液晶显示器112不同，在传统的反射型液晶显示器112中，在通过液晶单元100传输的光完全从液晶单元射出之后才进行反射。
此外，在反射型液晶显示器112和113中，光穿越相同的液晶层11两次，以致与传输型液晶显示器相比，液晶层11的厚度对显示质量有较大的影响。这是因为一个具有双折射的部件对射入其上的光的偏振状态所提供的变化幅值正比于该部件的双折射率(也称之为“折射率各向异性”)和厚度。
因此，与传统的传输型液晶显示器情况相比，为了保持反射型彩色液晶显示器的显示质量，用于测量厚度和一致性的液晶层11厚度(即，所谓的“单元间隙”)的测量具有更重要的意义。
测量液晶层厚度(此后称之为“单元间隙”)的传统技术是日本专利第4-307312号(此后称之为“传统方法1”)中揭示的测量方法。在传统方法1中，光经由偏振器射入液晶单元，所述偏振器的方向安排成从液晶单元的入射光侧的准直方向旋转+45°。此外，通过液晶单元的射出光经由偏振器射出，所述偏振器的方向安排成从液晶单元的射出光侧的准直方向旋转+45°，以测量输出光的强度。从一个波长的值执行一个操作以发现单元间隙值，假定在所述波长处所测量的射出光强度是最大值或最小值。在传统方法1中，使用Δn·d=λo·(mo2-Θ2/π2)1/2作为最大强度的条件来完成操作，以及使用Δn·d=λo((mo-1/2)2-Θ2/π2)1/2作为最小强度的条件来完成操作。相应变量所表示的值如下Δn双折射率(Δn=非常折射率ne-寻常折射率no)λo最大或最小波长mo度(阶次)Θ液晶层的扭曲角利用反射光测量单元间隙的一个传统技术的例子是在日本专利第10-232113号(此后称之为“传统方法2”)中揭示的测量方法。在传统方法2中，把水银灯光投射到衬底上，使在衬底上面和下面内侧处形成的液晶排列的排列薄膜荧光激发，并通过透镜在CCD(电荷耦合器件)上形成辐射图象，以通过从图象之间的距离计算衬底的上面和下面排列薄膜之间的距离而测量单元间隙。
在传统方法1中使用的传统等式(由此射出光为最大或最小)是仅应用于传输型液晶显示单元的等式。即，假设在使光偏振的期间，入射光仅穿越液晶层一次。然而，在反射型液晶显示单元中，在反射器处反射穿越液晶层并使之偏振的光，并且在射出之前再次穿越液晶层而再次偏振。因此，不能够把传统方法1那样的操作加到反射型液晶显示单元。
此外，可能存在这样的反射型彩色液晶显示器，其中一部分反射器不用于显示，例如，通过蚀刻等把相应于电极之间的间隙的一部分除去。在这种情况中，看来有可能通过利用从除去反射层部分漏出的发射光而用传统方法1进行单元间隙的测量。然而，反射器的蚀刻在经蚀刻部分和未蚀刻部分的液晶层中产生一个台阶，结果可能造成经蚀刻部分和用于显示的图象元件部分之间的值的差异。因此，最后必须测量图象元件部分的单元间隙。因此，需要用发射光而不是传输光来测量单元间隙。
在日本专利第10-232113号中描述使用反射光测量单元间隙的传统方法2，从而特别可测量尚未注入液晶的液晶单元。假定在液晶单元内不存在液晶，传统方法2形成由CCD传感器上的排列介质产生的荧光的图象，以致在液晶单元注入之后不能测量单元间隙。
然而，根据注入时的温度，在完成注入后的离开时间(leaving time)，液晶的粘滞度以及位于衬底间隙中的间隔的散布量及其粒子直径，在注入至液晶单元之后，单元间隙大大地改变。因此，仅对未注入的液晶单元进行单元间隙测量不能实现液晶单元的足够质量控制。为了控制液晶单元的质量，基本上要求控制液晶注入之后的单元间隙。
因此，本发明的目的是提供一种使用反射光而不是传输光来测量双折射体的厚度的方法和装置，所述双折射体在厚度方向上具有均匀的双折射率，诸如经准直处理的液晶层。
为了达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供在反射型液晶显示元件中的一种测量液晶层厚度的方法，所述液晶层具有经处理的上表面和下表面以及在厚度方向上一致的双折射率Δn，反射型液晶显示元件包括在一对衬底之间的液晶层并在至少一个衬底的一部分处具有反射区域，所述方法包括入射光的光接收步骤，通过第一偏振单元从光源入射到液晶层，并通过第二偏振单元接收通过在反射区处的反射从液晶层射出的反射光；色散步骤，对通过光接收单元接收的反射光进行光谱分析，以检测波长λ和反射光强度之间的关系；波长导出步骤，发现满足偏振平面保持条件的波长，在所述条件中反射光返回保持与射入时刻的偏振平面相同的偏振平面，即，反射光的寻常光线和非常光线之间的光程差是波长的整数倍和半波长的和，或波长的整数倍；Δn·d导出步骤，从波长导出步骤得到的波长和液晶层的已知扭曲角中得到合理的Δn·d，以从波长和Δn·d的多个组合得出波长和Δn·d之间的关系；厚度导出步骤，通过把已知的波长λ和Δn的组合赋予所述关系而得出所述d。
通过利用上述步骤使用反射光而不是传输光，从而还可以实现对反射型液晶显示单元的正确测量，而不管经传输的光的存在/不存在。此外，用这些步骤检测偏振状态的变化而无需反射光的图象，从而可以不管诸如镜面或散射之类的反射区域的特性而执行厚度测量。
最好，在假定反射光强度为极值处得出波长值而执行波长导出步骤。通过使用该步骤，可以容易地从光谱发现满足偏振平面保持条件的波长，因此可以容易地执行测量。
更好的是，在Δn·d导出步骤中使用琼斯(Jones)矩阵。通过使用该步骤，可以仅通过应用一个力学计算来表达偏振状态的变化，因此可以简化得到厚度d的操作。
更好的是，当α=Δn·dπ/Θλ…(等式1)以及β=Θ(1+α2)]]>…(等式2)时(其中Θ是液晶层的已知扭曲角)，在β/π是n或n+1/2(n是整数)的情况中，从当保持反射光的偏振平面时的波长λ、扭曲角Θ、等式1和等式2得出β/π的合理的值；以及从所得到的β/π值通过计算，得出波长和Δn·d之间的关系。
通过使用上述步骤，消除β/π的不合理的值，以致可以得出波长和Δn·d之间最合理关系的近似表达。
最好，第一偏振单元的传输轴和第二偏振单元的传输轴彼此正交。通过使用该步骤，在满足偏振平面保持条件的波长处的射出光的光谱将为最小值0，这利于该波长的发现。
最好，第一偏振单元的传输轴和第二偏振单元的传输轴彼此平行。通过使用该步骤，在满足偏振平面保持条件的波长处的射出光的光谱将为最大值，这利于该波长的发现。
最好，当假定第一偏振单元的传输轴和在接触光入射的衬底的液晶层平面上的排列方向形成的角度是φ时，在0°到90°的范围中，对多个φ执行光接收步骤、色散步骤以及波长导出步骤。通过使用这些步骤，可以通过多个φ得到对于多个波长λ的β/π值，因此可以正确地执行测量。
最好在Δn·d导出步骤中使用Cauchy色散公式。通过使用该步骤，即使只对一个φ进行测量也可以得到波长λ和Δn·d的近似值，因此可以简化厚度测量。
根据本发明的另一个方面，反射区域具有散射性，并且通过光接收单元在偏离相应于入射光的正向反射方向的位置处接收光。通过使用该步骤，可以排除来自上面衬底的正向反射分量，以致还可以使用具有散射性的反射器对反射型液晶显示单元执行厚度测量，来自上面衬底的正向反射分量不会产生任何影响。
根据本发明的一个方面，一种用于测量厚度的装置包括光源；用于传输来自光源的光的第一偏振单元；用于传输在待测目标处反射的反射光的第二偏振单元；光接收单元，用于接收通过第二偏振单元传输的反射光；色散单元，用于对通过光接收单元接收的反射光进行光谱分析，以检测波长λ和反射光的强度之间的关系；波长导出单元，用于发现满足偏振平面保持条件的波长，在所述条件中，反射光返回保持发现射入时刻的偏振平面相同的偏振平面，即，反射光的寻常光线和非常光线之间的光程差是波长的的整数倍和半波长的和，或波长的整数倍；Δn·d导出单元，从波长导出单元得到的波长和液晶层的已知的扭曲角中得到合理的Δn·d，以从波长和Δn·d的多个组合得出波长和Δn·d之间的关系；以及厚度导出单元，通过把已知的波长λ和Δn的组合赋予所述关系而得出所述d。
通过使用上述配置，利用反射光而不是传输光，以致还可以执行对反射型液晶显示单元的正确测量。此外，执行偏振状态的变化的检测，从而可以不管诸如镜面或散射之类的反射区域的特性而执行厚度测量。
更好的是，在假定反射光强度为极值处得出波长值而执行波长导出单元。通过使用该配置，可以容易地从光谱得出满足偏振平面保持条件的波长，因此可以容易地执行测量。
更好的是，在Δn·d导出单元中使用琼斯(Jones)矩阵。通过使用该配置，可以仅通过应用一个力学计算来表达偏振状态的变化，因此可以简化得到厚度d的操作。
更好的是，当α=Δn·dπ/Θλ…(等式1)以及β=Θ(1+α2)]]>…(等式2)时(其中Θ是液晶层的已知扭曲角)，在β/π是n或n+1/2(n是整数)的情况中，从当保持反射光的偏振平面时的波长λ、扭曲角Θ、等式1和等式2得出β/π的合理值；以及从所得到的β/π值通过计算，得出波长和Δn·d之间的关系。
通过使用所述配置，消除β/π的不合理的值，以致可以得到波长和Δn·d之间最合理关系的近似表达。
更好的是，第一偏振单元的传输轴和第二偏振单元的传输轴彼此正交。通过该配置，在满足偏振平面保持条件的波长处的射出光的光谱将为最小值0，这促进了波长的发现。
更好的是，第一偏振单元的传输轴和第二偏振单元的传输轴彼此平行。通过该配置，在满足偏振平面保持条件的波长处的射出光的光谱将为最大值，这促进了波长的发现。
更好的是，当假定第一偏振单元的传输轴和在接触光入射的衬底的液晶层的平面上的排列方向形成的角度是φ时，在0°到90°的范围中，对多个φ使用光接收单元、色散单元以及波长导出单元。通过使用该配置，可以通过多个φ得到对于多个波长λ的β/π值，因此可以正确地执行测量。
最好在Δn·d导出步骤中使用Cauchy色散公式。通过使用该配置，即使只对一个φ进行测量也可以得到波长λ和Δn·d的近似值，因此可以简化厚度测量。
根据本发明的另一个方面，反射区域具有散射性，并且通过光接收单元在偏离相应于入射光的正向反射方向的位置处接收光。通过使用该配置，可以排除来自上面衬底的正向反射分量，以致还可以使用具有散射性的反射器对反射型液晶显示单元执行厚度测量，来自上面衬底的正向反射分量不会产生任何影响。
为了达到上述目的，根据本发明的另一个方面提供一种在反射型液晶显示元件中的测量液晶层厚度d的方法，所述液晶层具有经处理的上表面和下表面以及在厚度方向上一致性的双折射率Δn，反射型液晶显示元件包括在一对衬底之间的液晶层并在至少一个衬底的一部分处具有反射区域，所述方法包括光接收步骤，通过第一偏振单元把光从具有液晶的双折射率Δn是已知的波长的单色光源入射到液晶层，并通过第二偏振单元接收反射光，所述反射光是通过在反射区处的反射从液晶层射出的；旋转光接收步骤，在改变旋转角度的同时接收光，所述旋转角度是当从上面看时由第一和第二偏振单元和液晶层形成的角度，通过与光接收步骤的配合，保持相应的第一偏振单元和第二偏振单元各自传输轴形成的角度为恒定；角度导出步骤，得出满足偏振平面保持条件的旋转角度，在所述条件中，反射光返回保持与在射入时刻的偏振平面相同的偏振平面，即，反射光的寻常光线和非常光线之间的光程差是波长的整数倍和半波长的和，或波长的整数倍；以及厚度导出步骤，通过角度导出步骤和液晶层的已知扭曲角得出一个角度，根据从所得出的角度所导出的Δn·d和所要求波长之间的关系选择合理的Δn·d。
通过使用上述步骤，利用反射光而不是传输光，以致还可以实现对反射型液晶显示单元的正确测量，而不管经传输的光的存在/不存在。此外，用这些步骤检测偏振状态的变化而无需反射光的图象，以致可以不管诸如镜面或散射之类的反射区域的特性而执行厚度测量。此外，使用具有液晶的双折射率Δn是已知的波长的单色光源，从而可以直接得到在Δn已知的波长处的Δn·d而无需近似。因此，可以进一步正确地测量d而不受近似值正确度的影响。
最好，通过得出旋转角度值执行角度导出步骤，假定在所述旋转角度处的反射光的强度为极值。通过使用该步骤，可以从强度的变化方便地发现满足偏振平面保持条件的旋转角度，因此可以容易地执行测量。
更好的是，在厚度导出步骤中使用琼斯矩阵来得出Δn·d。通过使用该步骤，可以仅通过应用一个力学计算来表达偏振状态的变化，因此可以简化得到厚度d的操作。
最好，使用琼斯矩阵，在假定由第一偏振单元的传输轴和在液晶层的入射侧表面上的排列方向形成的角度是φ，并假定液晶层的扭曲角是Θ时，从保持反射光的偏振平面的角度φ和已知扭曲角Θ得到Δn·d/λ的合理值，以从所得到的Δn·d/λ值得到波长λ处的Δn·d。
通过使用上述步骤，消除了Δn·d/λ的不合理的值，致使可以得到最合理的Δn·d/λ，并且Δn和λ是已知值，从而可以得到d。
最好，第一偏振单元的传输轴和第二偏振单元的传输轴彼此正交。通过使用该步骤，在满足偏振平面保持条件的旋转角度处的射出光的强度将为最小值0，这促进了旋转角度的发现。
最好，第一偏振单元的传输轴和第二偏振单元的传输轴彼此平行。通过使用该步骤，在满足偏振平面保持条件的旋转角度处的射出光的强度将为最大值，这促进了旋转角度的发现。
根据本发明的另一个方面，反射区域具有散射性，并且通过光接收单元在偏离相应于入射光的正向反射方向的位置处接收光。通过使用该步骤，可以排除来自上面衬底的正向反射分量，从而还可以使用具有散射性的反射器对反射型液晶显示单元执行厚度测量，来自上面衬底的正向反射分量不会产生任何的影响。
根据本发明用于导出一个角度的装置包括单色光源；用于传输来自单色光源的光的第一偏振单元；用于传输在待测目标处反射的反射光的第二偏振单元；光接收单元，用于接收通过第二偏振单元传输的反射光；旋转光接收单元，用于在改变旋转角度时接收光，所述旋转角度是当从上面看时，由第一和第二偏振单元和液晶层形成的角度，通过与光接收单元的配合，保持相应的第一偏振单元传输轴和第二偏振单元传输轴形成的角度为恒定；以及角度导出单元，用于得出满足偏振平面保持条件的旋转角度，在所述条件中，反射光返回保持与在射入时刻的偏振平面相同的偏振平面，即，反射光的寻常光线和非常光线之间的光程差是波长的整数倍和半波长的和，或波长的整数倍。
通过使用上述配置，利用反射光而不是传输光，以致还可以实现对反射型液晶显示单元的正确测量。此外，对于偏振状态的变化进行检测，从而可以得到满足偏振平面保持条件的旋转角度而不管诸如镜面或散射之类的反射区域的特性。可以利用所得到的旋转角度来发现单元间隙d。
为了达到上述目的，根据本发明的另一个方面，一种用于测量厚度的装置包括单色光源；用于传输来自单色光源的光的第一偏振单元；用于传输在待测目标处反射的反射光的第二偏振单元；光接收单元，用于接收通过第二偏振单元发射的反射光；旋转光接收单元，用于在改变旋转角度时接收光，所述旋转角度是当从上面看时，由第一和第二偏振单元和液晶层形成的角度，通过与光接收单元的配合，保持相应的第一偏振单元传输轴和第二偏振单元传输轴形成的角度为恒定；角度导出单元，用于得出满足偏振平面保持条件的旋转角度，在所述条件中，反射光返回保持与射入时刻的偏振平面相同的偏振平面，即，反射光的寻常光线和非常光线之间的光程差是波长的整数倍和半波长的和，或波长的整数倍；Δn·d导出单元，用于从角度导出手段得出的角度得到波长λ和Δn·d之间的关系；以及厚度导出单元，用于使用波长λ和已知Δn得出d。
通过使用上述配置，利用反射光而不是传输光，从而还可以实现对反射型液晶显示单元的正确测量。此外，对于偏振状态的变化进行检测，以致可以执行厚度测量而不管诸如镜面或散射之类的反射区域的特性。此外，使用单色光源，从而只要已知相应于该波长的液晶的双折射率Δn，可以直接利用在光源的波长处得到的Δn·d而无需使用合适的表达式。因此，可以进一步正确地执行d的测量而不受近似表达式的正确度影响。
更好的是，通过寻找反射光的强度假定为极值的旋转角度值而执行角度导出单元。通过使用该配置，可以从强度的变化容易地发现满足偏振平面保持条件的旋转角度，因此可以容易地执行测量。
更好的是，在Δn·d导出单元中使用琼斯矩阵。通过使用该步骤，可以仅通过应用一个力学计算来表达偏振状态的变化，因此可以简化得到厚度d的操作。
最好，使用琼斯矩阵，在假定由第一偏振单元的传输轴和在液晶层的入射侧表面上的排列方向形成的角度是φ，并假定液晶层的扭曲角是Θ的情况中，从保持反射光的偏振平面的角度φ和从已知扭曲角Θ得出Δn·d/λ的合理值，以从所得到的Δn·d/λ值得到在波长λ处的Δn·d。
通过使用上述配置，消除了Δn·d/λ的不合理的值，致使可以发现最合理的Δn·d/λ，并且Δn和λ是已知值，从而可以得到d。
更好的是，第一偏振单元的传输轴和第二偏振单元的传输轴彼此正交。通过该配置，在满足偏振平面保持条件的旋转角度处的射出光的强度将为最小值0，这促进了旋转角度的发现。
更好的是，第一偏振单元的传输轴和第二偏振单元的传输轴彼此平行。通过该配置，在满足偏振平面保持条件的旋转角度处的射出光的强度将为最大值，这促进了旋转角度的发现。
更好的是，反射区域具有散射性，并且通过光接收单元在偏离相应于入射光的正向反射方向的位置处接收光。通过使用该配置，可以排除来自上面衬底的正向反射分量，以致还可以使用具有散射性的反射器对反射型液晶显示单元执行厚度测量，来自上面衬底的正向反射分量不会引起任何的影响。
此外，为了达到上述目的，根据本发明的一种用于导出波长的装置包括光源；用于传输来自光源的光的第一偏振单元；用于发射在待测物体处反射的反射光的第二偏振单元；光接收单元，用于接收通过第二偏振单元发射的反射光；色散单元，用于对光接收单元接收的反射光进行光谱分析，以检测波长λ和反射光的强度之间的关系；以及波长导出单元，用于得出满足偏振平面保持条件的波长，在所述条件中，反射光返回保持与在射入时刻的偏振平面相同的偏振平面，即，反射光的寻常光线和非常光线之间的光程差是波长的整数倍和半波长的和，或波长的整数倍。
通过使用上述配置，利用反射光而不是传输光，以致还可以执行对反射型液晶显示单元的正确测量。此外，执行偏振状态的变化的检测，从而可以不管诸如镜面或散射之类的反射区域的特性而导出波长。
从下面结合附图对本发明的详细描述中，对本发明上述和其它目的、特征、方面和优点将更为明了。


图1是根据本发明的第一实施例的测量装置的示意图；图2示出坐标系统；图3是曲线图，示出在射出光强度为0处，对于φ值的β/π值；图4是曲线图，示出根据本发明的第一实施例在φ=0.0°处，并在正交相位中的光谱；图5是曲线图，示出根据本发明的第一实施例在φ=22.5°处，并在正交相位中的光谱；图6是曲线图，示出根据本发明的第一实施例在φ=45.0°处并在正交相位中的光谱；图7是曲线图，示出根据本发明的第一实施例在φ=67.5°处并在正交相位中的光谱；图8是曲线图，示出根据本发明的第一实施例在φ=90.0°处并在正交相位中的光谱；图9是曲线图，示出根据本发明的第一实施例的波长和Δn·d之间的关系；图10是曲线图，示出根据本发明的第二实施例在φ=0°和φ′=60°处的光谱；图11是曲线图，示出根据本发明的第三实施例在φ=45.0°处并在平行相位中的光谱；图12是曲线图，示出传统方法1和根据本发明的方法之间的比较；
图13是曲线图，示出根据本发明的第四实施例在φ=45.0°处并在正交相位中的光谱；图14是曲线图，示出根据本发明的第四实施例的波长和Δn·d之间的关系；图15是曲线图，示出根据本发明的第四实施例在φ=45.0°处并在正交相位中的光谱；图16是曲线图，示出根据本发明的第四实施例在φ=67.5°处并在正交相位中的光谱；图17是曲线图，示出根据本发明的第五实施例的Δn·d/λ和满足偏振平面保持条件的φ之间的关系；图18是曲线图，示出根据本发明的第五实施例的φ和用于第一实施例中的液晶单元的反射光强度之间的相关；图19是曲线图，示出根据本发明的第五实施例的φ和液晶单元(与用于第四实施例的图15中的液晶单元相同)的反射光强度之间的相关；图20是传统的传输型液晶显示器的剖面图；图21是传统的反射型液晶显示器的剖面图；以及图22是反射型彩色液晶显示器的剖面图，其中把反射器放在单元内。
第一实施例参考图1简单地描述该装置。从光源1发射的光经透镜6，此后把光导向偏振器2的入口侧，在偏振器2中把光的偏振状态调准到预定的方向，作为入射光8射入液晶层11，并到达反射器15。
把在反射器15处反射的光再次在相反的方向上通过液晶层11传输，并把它作为射出光9导向射出侧偏振器3。只有在预定方向上的偏振光才通过射出侧偏振器3传输，并射入作为光接收单元和色散单元两种单元的分光器4。虽然只要分光器4可以在光谱上决定所接收的光而不必把分光器4限制到某种形式，但是希望能快速处理的分光器。
把在分光器4处得到的光谱数据发送到电子计算机5，在其中执行某些操作处理以计算单元间隙的值。要注意，通过允许电子计算机5指令角度的设置和附加/除去入射侧偏振器2和射出侧偏振器3可以自动地进行一系列的测量。
光源1和分光器4的尺寸一般较大，从而光源1和入射侧偏振器2，以及射出侧偏振器3和分光器4可各自通过光纤连接，以避免安装位置的困难。
把待测量的液晶单元101安装在平台7上。平台7是如此地形成的，致使可以使它围绕一个垂直于入射光8和射出光9形成的平面并通过入射光8和反射器15彼此交叉点的轴以任意的角度θ旋转。此外，把平台7制造成可以在前/后和左/右方向上滑动，以便于测量点的移动。
使用钨丝灯作为光源1。虽然在本实施例中，假定在反射器15上测量的点直径为5mmφ，但是如果要求较窄范围的测量，则可以修改设置在中间的透镜6的放大倍数，以允许按要求来设置点的直径。当要测量一个波长范围时，可视带宽一般可以满足测量液晶单元的单元间隙，从而在380nm到780nm的范围中并具有0.1nm的分辨率进行测量。
现在描述说明偏振器2、3和液晶单元101的方位角的坐标系统。参考图2，水平地放置液晶单元101，反射器15在底部，假定液晶单元的上方(即从液晶单元101看到光源的方向)是z轴的正方向。假定液晶的上衬底侧排列方向是x轴的正方向。如在图2中所示，当从液晶单元101的顶部看时，反时针旋转方向取正号，并假定从x轴旋转90°的轴是y轴的正方向。
如在图2中所示，当上一侧排列方向25是在x轴上，即在0°处时，反射器-侧排列方向26的方位，即，液晶层11的扭曲角将是Θ。假定入射侧偏振器2的传输轴23的方位为φ。假定射出侧偏振器3的传输轴24的方位为φ′。
由于在液晶单元101内的液晶层11是双折射体，当光射入其上时，它改变光的偏振状态。根据波长和入射光的偏振方向、液晶层11的扭曲角、单元间隙和液晶的双折射率而改变偏振状态。因此，通过清楚地定义上述之间的关系，可以根据这些值得到单元间隙。
示出光的双折射作用的一般方法是使用琼斯(Jones)矩阵。通过假定液晶层11的扭曲角是Θ，液晶的双折射率是Δn和单元间隙是d来描述该方法。当波长λ的光行进到z轴的负方向以通过液晶层传输时，使用琼斯矩阵表示偏振作用如下 其中
此外，当在反射器处反射光并向正方向行进以再次通过液晶层传输时，由J+z来表示偏振作用，它是J-z的转置矩阵。把通过液晶层来回传递而接收到的偏振作用表示如下JLC=J+z×J-z当入射侧偏振器传输轴23的角度是φ，射出侧偏振器传输轴24的角度是φ′，而入射光的幅度是E时；使用琼斯矩阵把在射出侧偏振器传输轴24方向上的射出光的幅度Et，以及与其正交的方位上的幅度Ea′表示如下 其中， 此外，分别把入射光强度Iin和射出光强度Iout表示如下Iin=E2, Iout=Et＇2+Ea＇2，其中，当φ′=φ+π/2时射出光强度Iout为0的条件是(ⅰ)当φ是π/2×n时(n≥0整数)，β/π是与Θ无关的n(n≥0整数)；(ⅱ)当φ是π/4+π/2×n时(n≥0整数)，β/π是与Θ无关的n/2(n≥0整数)；以及(ⅲ)当φ不是上述任何值时，φ与Θ有关。
作为一个例子，在图3中示出在Θ=4π/3(240°)的STN(超级扭曲向列)型液晶显示元件中满足射出光强度Iout为0的条件的φ和β/π之间的关系。
该条件表示当光通过液晶单元传输一次时，在寻常光束和非常光束之间的光程差是波长λ的整倍数和半波长λ/2的和，或波长λ的整数倍。当满足该条件时，反射光具有保持入射光的偏振平面而返回的特征。此后把该条件称为“偏振平面保持条件”。因此，在条件φ′=φ+π/2下，反射光不能通过射出侧偏振器3传输，因此射出光强度Iout将为0。
从图3可以看到，该关系式是周期性的，在φ诸如从0°到90°和从90°到180°的每个90°的范围中可以得到相同的关系。因此，如果在φ=0°到90°的范围中的适当角度处执行测量就可以满足。在φ=0°到90°的范围中的数个角度处测量反射光，以检测极值的波长。利用在图3中所示的关系式来识别该波长的β/π值。如果发现β/π，则可以发现α，并且还可以得到Δn·d和λ之间的关系。如果得到Δn·d和λ之间的关系，则可以赋予λ和Δn的已知组合以得到d。
理想情况是使射入/射出入射光8和射出光9垂直于液晶单元101的上表面而进行测量。另一方面，如果光以入射角射入，则容易配置装置。希望入射角尽可能地小，由于较大的入射角对琼斯矩阵的近似值的正确度会有负面影响。如在图1中所示，通过改变平台7的斜角Θ来调节入射角。
把在波长589nm处具有双折射率Δn为0.135的液晶注入液晶单元101，以形成液晶层11，所述液晶单元是由具有Θ=240°的散射度的反射器形成的，所述反射器是由具有直径为6μm的粒子的间隔构成的，最后产生的液晶单元就是待测量的目标。设置平台7的倾斜度，使之具有5°的入射角和0°的射出角。将在下面描述设置这种入射角和射出角的原因。使光从Θ/2的方位上射入。
在φ=0.0°、22.5°、45.0°、和67.5°的相应条件下，使光通过入射侧偏振器2传输以射入液晶单元101，反射光通过φ′=φ+π/2的射出侧偏振器3传输，在分光器4处从光谱上决定反射光。在图4到7中示出结果。此后把φ和φ′彼此正交的状态称为“正交相位”。
如在图4中所示，从φ=0.0°处的反射光的光谱，得到548.8nm，作为射出光强度Iout=0的波长。这里，φ相应于上述情况(ⅰ)，以致假定β/π为整数。其次，进行关于β/π是什么整数的讨论。β/π=0是不可能的，因为α＞0。假定β/π=1，而把Θ=240°(4π/3)赋予α和β的关系式用于计算，对于α不存在解。因此，β/π=1是不正确的。假定β/π=2，可以得到(Δn·d/λ)2=20/9，和Δn·d/λ=1.4907。假定β/π=3，可以得到(Δn·d/λ)2=65/9，和Δn·d/λ=2.6874。
在本实施例中，液晶具有粒子直径为6μm的间隔和在589nm处的0.135的双折射率Δn，以致期望在589nm处的Δn·d值是一个近似于6000×0.135=810nm的值。还有，在548.5nm处期望有近似于上述值的值。如果当β/π=3时把λ=548.5nm赋予Δn·d/λ=2.6874，则得到Δn·d=1475nm。该值大得不合理。而当β/π=2时的Δn·d/λ=1.4970得到Δn·d=818.1nm的结果。该值足以接近上述的810nm，认为该值是合理的。
如在图5中所示，得到两个值463.1nm和548.8nm作为φ=22.5°处的射出光强度Iout=0的波长。波长548.8nm具有与φ=0°的情况中相同的条件，从而假定β/π=2.000。对于相应于波长463.1nm的β/π值，从图3可知，可能值为2.335、3.381等，当对如上所述的每一个检查Δn·d的有效性时，可以发现β/π=2.335和Δn·d=887.7nm。
如图6中所示，对φ=45°处的射出光强度Iout=0的波长，得到两个值434.8nm和548.8nm。相应于548.8nm的β/π值是已经发现的2.000。从图3并通过检查Δn·d的有效性可以发现相应于434.8nm的β/π值是2.500。相应于β/π=2.500的Δn·d值将为919.0nm。
如图7中所示，得到三个值413.5nm、548.8nm和708.4nm作为φ=67.5°处的射出光强度Iout=0的波长。相似于上述情况，分别得到在本情况中的β/π值为2.648、2.000和1.711。在这些波长处的Δn·d值分别为946.0nm、811.1nm、和759.6nm。
图8示出反射光在φ=90.0°处的光谱，它等于在图4中示出的在φ=0.0°处的光谱。这是因为，在图3中，以φ的90°周期重复相同形状的曲线。
对于每个波长，在表1中示出所得到的如上所述的结果。表 1
图9示出在表1中所示的波长λ和Δn·d之间关系的曲线。通过三次方程式来近似这些关系中的每一个关系Δn·d=-2.849×10-6×λ3+6.725×10-3×λ2-5.426×λ+2.241×10-3虽然这里通过三次方程式来得到近似，但是也可以使用其它合适的表达式。
在本实施例中，使用的589nm处已知Δn为0.135的液晶，以致把当λ=589nm时将为796.3nm的Δn·d赋予上述三次方程式。发现单元间隙d=796.3/0.135=5.90μm。这是待测量的单元间隙的值。
虽然以φ的22.5°的增量来执行测量，但是可以使每次测量的间隔更小一些，以得到更正确的Δn·d随波长的关系，并且提高待发现的单元间隙值的正确度。
使φ和φ＇形成的角度为90°，以使当射出光9从液晶单元101返回时射入分光器4的射出光强度为0，该液晶单元保持与入射光8相同的偏振平面。这是利用反射光的特征，所述特征是如果满足偏振平面保持条件，则光返回时保持与入射时刻的偏振平面相同的偏振平面，以利于对这种光返回时保持相同的偏振平面的状态的检测。
因为液晶显示元件利用偏振状态的变化，始终选择反射器15，致使它不会影响偏振状态，即使它是具有粗糙表面的散射(非镜面)反射器。这是因为，如果在反射器15处的偏振状态变化，不能象所设计的那样转换偏振状态，从而大大地破坏了显示质量。
描述一个例子，其中假定入射光8和射出光9形成的角度如同在本实施例中那样为5°。可以理解，所述角度不限于5°。
可以把当前已经投入实际使用的反射型彩色液晶显示器元件的反射器形状大致分成两类。一类是具有平坦表面的镜面反射器，而另一类是通过在表面上提供粗糙度而具有漫射的反射器。
如果反射器15是镜面反射器，则设置平台7的倾斜度，致使入射角是2.5°，而射出角是2.5°，并且使光从Θ/2的方位发射以执行测量。在正反射的位置处镜面反射器将具有最大的射出光强度，从而最好在对于反射器15正反射位置处检测反射光。在这种情况中，通过液晶层传输的光程长将长1/cos2.5°=1.010倍，结果在入射和射出两个路径中的光程长都要长约2％，这对正确度没有实质的问题。
另一方面，如果反射器15象在本实施例中那样是散射反射器，则反射器15使反射光向各方向散射，以致使在正反射方向上反射的分量大大地减少，结果，通过反射器15反射的光分量中，在液晶单元101的上衬底12的表面处的经正反射的分量作为在正反射方向上可检测的光而占优势。这使待测量光谱的形状大大地畸变。相应地，为了检测通过反射器15散射的反射光而对来自上衬底12的正反射没有任何影响，使射出光的检测部分从正反射的位置移到一个位置，该位置在液晶单元101的上衬底12的表面处正向反射的光的范围以外，具有一个支持点，该支持点在入射光8和反射器15彼此交叉的位置处。
特别，最好通过设置平台7的倾斜度，致使入射角是5°而射出角是0°，仍使入射光8和射出光9形成的角度保持为5°执行测量。
用反射的光强度对基准反射光强度的百分比来表示反射率。把射出侧偏振器3以与测量时刻相同的角度放在光路径上，在光路径上不放置入射侧偏振器2的状态下使光射入液晶单元101，与测量时刻相同，在分光器4处接收在反射器15处反射的光，在光谱上分折光以得到每个光谱强度，所述每个光谱强度作为基准反射的光强度，即100％。这样，与测量时刻相同，通过使用来自液晶单元101的反射光强度，可以消除在液晶单元中与反射特征有关的波长，因此可以测量纯粹反映与偏振作用有关的波长的光谱强度。
最好把射入分光器的射出光的偏振方向设置成与测量基准反射光强度和单元间隙的时刻相同方向上，因为分光器的散射光栅具有偏振特征。
然而，如果使用不受偏振状态影响的分光器，则可以在光路径上以单元间隙测量的时刻所使用的角度放置入射侧偏振器2来替代射出侧偏振器3，并且射出侧偏振器3可以不在光路径上，以测量基准反射光强度。总之，可以在分光器4接收光之前，使光源1发射的光仅通过一个偏振器传输的状态执行测量。
第二实施例还有可能把本发明应用于一个例子，其中φ和φ′形成的角度不是90°。例如，图10示出在φ=0°和φ′=60°处得到的光谱。除了角度φ和φ′之外，其它条件与第一实施例中的条件相同。然而，如果φ和φ′形成的角度不是90°，则极值趋向于不确定，造成分析困难。
第三实施例图11示出使在φ和φ′处得到的光谱成为平行的(此后把该状态称为“平行相位”)，例如，φ=45°和φ′=45°。除了角度φ和φ′之外，其它条件与第一实施例中的条件相同。这使得在利用反射光的特征中没有不同，其中，当满足偏振平面保持条件时，光保持与入射时刻的偏振平面相同的偏振平面而返回。唯一的差异是光谱强度，由平行相位中的最大值代替正交相位中的最小值0，因此，通过注意该点就可能用相似的分析。把图11与具有相同的φ=45.0°的图6比较，可以看到，在图6中的最小值由图11中的最大值替代。要注意，在理论意义上，最大值应该具有100％的反射率，实际上如图11所示并不需要100％。这是由于通过入射侧偏振器2而存在吸收损耗，所述偏振器在测量基准反射光强度的时刻没有放置在光路径上。
当以平行相位执行测量时，一个偏振器可以起入射侧偏振器2和射出侧偏振器3两者的作用。这可以使测量装置简化。
假定使用传统方法1，安排偏振器使入射侧偏振器是在从液晶单元的入射侧排列方向的+45°处，而射出侧偏振器是在从液晶单元的射出侧排列方向起+45°处，把它们应用于反射型的情况，以发现在平行相位和在φ=φ′=45.0°中的偏振器的安排具有与根据本发明的实施例相接近的条件。这就是在第三实施例中的图11中所示出的。因此，把传统方法1的操作方法应用于在图11中得到的光谱数据。
在传统方法1中，使用Δn·d=λo·(mo2-Θ2/π2)1/2作为最大强度的条件，以及Δn·d=λo·((mo-1/2)2-Θ2/π2)1/2作为最小强度的条件，来执行操作，其中Δn双折射率(Δn=非常折射率ne-寻常折射率no)λo最大或最小波长mo度Θ液晶层的扭曲角从图11，对于最大波长得到值434.8nm和548.8nm，而对于最小波长得到值400.5nm、479.1nm和662.5nm。使用这些波长和上述等式来计算当mo是1到5时的Δn·d。然而，如果mo=1，则mo2-Θ2/π2和(mo-1/2)2-2/π将是负的，这是不恰当的。因此，在mo是2到5时计算Δn·d。在表2中示出在最大波长处的计算结果。在表3中示出在最小波长处的计算结果。
表2相应于每个波长λ的Δn·d(nm)
表3相应于每个波长λ的Δn·d(nm)
这里，得到相应于每个波长的mo。通常使用于液晶的Δn·d值具有正常的色散，在较短波长侧色散较大，结果是波长越长，Δn·d变得越小。因此，波长变得越长时，Δn·d/λ变得越小，因此在长波长侧mo也具有较小的值。从而，在最大波长处，在434.8nm处的mo值大于在548.8nm处的，相似地，在最小波长处，从400.5nm、479.1nm和662.5nm,mo的值顺序地变大。在它们中间，从较短的波长到较大的波长，度(阶)mo一个一个顺序地变得更小。在表4中示出液晶层的Δn·d和波长之间的相关。
表4相应于每个波长λ(nm)的Δn·d
在表4的左边的列中，mo=2、3、4和5表示作为波导(guide)的波长λ=400.5nm处的mo值，在表4的相同行中当向右移一格时，mo将减少1。
当mo在400.5nm处是2或3时，在较长波长侧没有合适的值，因此在图12中示出在400.5nm处当mo是4或5时波长和Δn·d之间的关系。图12还示出波长和从根据本发明的方法测量而得到的Δn·d之间的校正关系。通过使用传统方法，当mo=4时波长和Δn·d仅在548.8nm处彼此交叉，大多数情况中它们是显著地偏离的。这里，可以发现在589nm处的Δn·d分别接近于701.8nm和1444.9nm，而赋予在589nm处的Δn=0.135的组合，从而发现单元间隙d=5.20μm和10.70μm，它们大大地偏离通过本发明得到的5.90μm的值。
这清楚地示出，传统方法1不能满足在反射型液晶显示单元中用于单元间隙测量。因此，对于在反射型液晶显示单元中的单元间隙测量，除了根据本发明的方法之外，不存在其它合适的方法，因此本发明为本领域的技术进步作出显著贡献。
第四实施例虽然如在上述第一到第三实施例中所述的，在变化φ以检查和分析波长(在该波长处假定射出光强度是极值)的方法中的特征是正确测量，但是因为需要改变φ将增加测量的次数，而测量所需要的时间也较长。此外，还需要旋转偏振器或液晶单元的机构。在本实施例中，将描述正确度稍差些，但是更简单的测量方法。
如果有两个或多个波长，在这些波长处，当把φ固定在正交相位中的某个值时，在通过分光器4测量的波长范围中的反射光强度是0，则发现在每个波长处的β/π，并检查它的有效性，以发现相应于该波长的Δn·d。通过在两个或三个解之间内插合适的近似值，可以从已知的波长和Δn的组合得到单元间隙d。
把在波长589nm处具有双折射率Δn为0.135的液晶注入液晶单元101形成液晶层11，所述液晶单元是由具有Θ=240°的散射反射器15形成的，所述反射器是由具有直径为6μm的粒子的间隔构成的，最后产生的液晶单元就是待测量的目标。假定φ=45.0°，使光从Θ/2的方位射入。在图13中示出所得到的反射光的光谱。图13示出射出光强度是0的波长是339.4nm、465.3nm和592.5nm。通过赋予预估的β/π，可以得到在表5中所示的关系。
表5相应于每个波长λ(nm)的Δn·d
在图14中标出该关系。在本实施例中，使用具有6μm粒子直径的间隔以及在589nm处Δn=0.150的液晶，以致在589nm处的期望Δn·d是900μm。因此，在表5中的类型Ⅰ到类型Ⅲ中间，类型Ⅱ是最合理的。其次，通过使用Cauchy色散公式，Δn·d=A+B/λ2，得到类型Ⅱ的波长色散，以发现系数A和B,A=729.0和B=5.416×107。赋予值λ=589nm，从而得到近似值，得出Δn·d=885.1nm。因此，可以得到单元间隙d=885.1nm/0.150=5.90μm 。
在本实施例中，不需要变化φ，并可以使偏振器保持固定而进行测量，从而和第一到第三实施例相比，可以作为一种更方便的简单测量方法。要注意，虽然这里使用Cauchy色散公式，按需要还可以使用其它近似法。
此外，虽然本实施例使用φ=45°，但是不限制于该角度，也可以使用其它角度。然而，使用φ=45°较方便，由于在射出光强度是0的波长处最均匀准直且β/π将是增量为0.5的约数。然而，如果在一个执行测量的波长范围中不能得到两个或多个射出光强度为0的波长，则不可以应用。例如，如果把波长589nm的双折射率Δn为0.110的液晶注入液晶单元，形成液晶层，所述液晶单元是由具有Θ=240°的镜面反射器形成的，所述反射器是由具有直径为6μm的粒子的间隔构成的，这样形成一个待测量的目标，使光从Θ/2的方位射入，得到在图15中示出的光谱。这里，只可以得到一个射出光强度是0的波长，这对于确定近似值是不够的。在这种情况中要求变化φ。例如，必须选择φ，使至少可以得到两个波长，在该两个波长处射出光强度是0，诸如在图16中所示的φ=67.5°。
虽然在上述实施例中已经把Θ=240°的STN型液晶单元用于测量，根据本发明的测量方法并不限于Θ=240°的原则，因此可以把具有Θ=约90°的TN(扭曲向列)型液晶单元用于相似方式中的测量。
第五实施例在上述实施例中，使诸如来自钨丝灯的白光通过偏振器射入，而使射出光色散以计算在多个波长处的Δn·d，并根据计算结果，从近似表达式发现在已知Δn的波长处的Δn·d，以从Δn·d值得到单元间隙d。因此，该方法不需要测量在已知Δn的波长处的Δn·d值。然而，理想地，在一种有利的方法中，使用在已知Δn的波长来测量Δn·d，接着把它和已知的Δn一起来发现单元间隙d，因此现在将描述这种方法。
考虑一下，需要有关已知Δn的波长信息，有几种可能的方法，诸如使用具有该波长的单色光源作为光源，以及使用白光作为光源的方法，以使用分光器、干涉滤光器等仅检测已知Δn的波长处的光。这些方法能够检测已知Δn处的波长的波长信息。
在本实施例中应用后面一种方法。为了实现该方法，在图1所示的装置中，设置分光器4的狭缝，使只可以检测所要求的波长，从而允许入射侧偏振器2和射出侧偏振器3可以围绕垂直于液晶单元101的轴旋转，而同时把由入射侧偏振器2和射出侧偏振器3各自的传输轴形成的角度保持在预定角度，允许检测由于角度变化而引起的检测强度的变化，所述角度是由入射侧偏振器2或射出侧偏振器3和液晶的上表面侧排列方向25(即，x轴的正方向)所形成的(此后称之为“旋转角”)。除了旋转入射侧偏振器2和射出侧偏振器3之外，还可以围绕垂直于液晶单元101的一个旋转轴旋转安装有液晶单元101的平台7。此外，使用单色光源或白光源以及干涉滤光器的组合可以免去分光器，结果降低了制造成本，而测量本身基本上保持与本发明中应用的方法相同。
下面将根据图1描述本发明的概要。
从白光源的光源1发射的入射光8通过透镜6然后经由入射侧偏振器2射入液晶单元11。通过射出侧偏振器3在分光器4检测反射器15反射并再次通过液晶层11的射出光9，调节在分光器中的狭缝，使检测具有已知Δn的波长处的光。
如在图2中所示，当假定入射侧偏振器传输轴23和上基底侧排列方向25形成的角度为φ，而射出侧偏振器传输轴24和上基底侧排列方向25形成的角度为φ′时，通过等式(a)到(c)可以得到φ和φ′的射出强度之间的关系。
当φ=φ′，或φ=φ′±90°时，可以应用在描述第一实施例中的测量原理的段落中所说明的偏振平面保持条件。
图17示出φ和Δn·d/λ之间的关系，当入射侧偏振器2和射出侧偏振器3彼此平行(φ=φ′)而且扭曲角Θ是240°时，可以通过该关系得到最大强度。此外，在图17中还示出φ和Δn·d/λ之间的关系，当入射侧偏振器2和射出侧偏振器3彼此正交(φ=φ′±90°)而且扭曲角Θ是240°时，通过该关系可以得到最小强度。这里所示参数Δn·d/λ最大达3。使用该结果来得到测量波长λ(已知该波长处液晶的Δn)和相应的Δn·d之间的关系，由于Δn是已知的，因而可以得到单元间隙d。
例如，在第一实施例中所使用的液晶单元中，试图把在波长589nm处具有Δn为0.135的液晶封装到具有扭曲角Θ=240°的液晶单元中。射入白光，把入射侧偏振器2和射出侧偏振器3的各自的传输轴安排成彼此平行，并变化由入射侧偏振器2的传输轴23和上基底排列方向25形成的角度φ保持传输轴彼此平行，同时测量相应于角度φ具有589nm波长的光的检测强度变化。结果示于图18，其中，获得最大强度的角度是φ=83.50。从图17可以发现，在角度φ=83.5°处满足偏振平面保持条件的Δn·d/λ是1.35和2.52。因为λ=589nm,Δn·d将为1.35×589=795.2nm或2.52×589=1484nm。当从单元间隙的期望值来考虑时，后面一个数据是明显地不恰当的，因此可以把795.2nm用作Δn·d的值，并从已知Δn=0.135可以得到d=795.2/0.135=5.89μm。
因此，发现一个值，该值近似等于在第一实施例中得到的5.90μm的单元间隙值。这确保了在第一实施例中的近似表达式是正确的，如果使用不正确的近似表达式，则两个值之间的差异会更大。
在图17中示出的是Δn·d/λ和满足偏振平面保持条件的φ之间的关系，当把入射侧偏振器2和射出侧偏振器3的各自的传输轴安排成彼此正交时，可以得到最小强度的φ满足该条件。作为各自的传输轴彼此正交的配置的一个例子，在入射侧偏振器2和射出侧偏振器3的各自的传输轴安排成彼此正交时，把白光射入具有扭曲角Θ=240°和6μm间隔粒子直径的液晶单元，在所述液晶单元中封装了589nm处Δn为0.110的液晶，并且改变入射侧偏振器2的传输轴23和在入射侧上的液晶的排列方向25所形成的角度φ以保持入射侧偏振器2和射出侧偏振器3的传输轴彼此正交，同时测量相应于角度φ且具有589nm波长的光的检测强度变化，在图19中示出所述结果。
这里，可以得到最小强度的角度将为69.4°。从图17可以发现在φ=69.4°处满足偏振平面保持条件的Δn·d/λ值为1.10和233，从该值发现Δn·d是1.10×589=647.9nm或2.33×589=1372nm。后面一个数据明显地是不恰当的，从而在589nm处的Δn·d将为647.9nm，并赋予已知的Δn=0.110以得到单元间隙d为647.9/0.110=5.89μm。
在本发明的实施例中示出的方法的优点是可以测量在所要求的波长处的光程差(即Δn·d)，从而可以不依赖于近似表达式而发现单元间隙。
虽然，在该例子中，通过分光器使用白光源仅检测所要求的波长，但是如果使用单色光源的话，则也可以不用分光器进行测量。对于单色光源，可以使用激光器、带干涉滤色器的白光源等。可以使用任何确定Δn的波长。使用Abbe折射仪简化了特定波长的Δn值测量。此外，可以执行平行相位测量(在其中只要一个偏振器就足够了)，仅通过改变一个偏振器对于液晶单元的旋转角来发现一个角度(假定反射光强度在该角度处为最大值)，从而进一步使装置简化。
此外，根据Δn·d/λ的值，难于得到相应于φ变化的反射光强度的变化。当扭曲角Θ=240°、Δn·d/λ=1.4907或2.6874时发生这种情况，在这种情况中，β/π偶然是整数。在这种情况中，反射光强度对φ的变化混在测量误差中，因此不能发现提供最大或最小的φ值。当这种情况发生时，最好使用具有不同波长的单色光。
根据本发明，可以利用反射光的特征来测量在厚度方向上具有一致双折射率Δn的双折射体的厚度，以致可以测量包含在不可通过传统方法测量的反射型液晶显示元件中的经排列处理的液晶层的厚度，在所述反射光中，当满足偏振平面保持条件时光回到保持与入射时刻偏振平面相同的偏振平面的状态。
虽然已经详细地描述和说明了本发明，但是可以清楚地理解，这些描述和说明只是为了举例，不打算把它作为限定，本发明的精神和范围仅受所附的权利要求所限定。
权利要求
1．在反射型液晶显示元件中，一种测量液晶层厚度的方法，所述液晶层具有经排列处理的上表面和下表面以及在厚度方向上一致的双折射率Δn，所述反射型液晶显示元件包括在一对衬底之间的所述液晶层，并具有所述一个衬底的至少一部分中的反射区域，其特征在于，所述方法包括下列步骤光接收步骤，通过第一偏振单元把光从光源入射到所述液晶层，并通过第二偏振单元接收通过在所述反射区域的反射从液晶层射出的反射光；色散步骤，对通过光接收单元接收的反射光进行光谱分析，以检测波长λ和反射光强度之间的关系；波长导出步骤，发现满足偏振平面保持条件的波长，在所述条件中，反射光返回保持与射入时刻的偏振平面相同的偏振平面，即，经反射光的寻常光线和非常光线之间的光程差是波长的整数倍和半波长的和，或波长的整数倍；Δn·d导出步骤，从所述波长导出步骤得到的波长和所述液晶层的已知扭曲角来得出合理的的Δn·d，以从波长和Δn·d的多个组合得出波长和Δn·d之间的关系；以及厚度导出步骤，通过把已知的波长λ和Δn的组合赋予所述关系而得出d。
2．如权利要求1所述的测量厚度的方法，其特征在于，通过发现所述反射光强度假定为极值的波长值来执行所述波长导出步骤。
3．如权利要求1所述的测量厚度的方法，其特征在于，在所述Δn·d导出步骤中使用琼斯矩阵。
4．如权利要求3所述的测量厚度的方法，其特征在于，当α=Δn·dπ/Θλ…(等式1)和β=Θ(1+α2)]]>…(等式2)时(其中Θ是所述液晶层的已知扭曲角)，β/π是n或n+1/2(n是整数)的情况中，从当保持反射光的偏振平面时的波长λ、所述扭曲角Θ、和所述等式1和2得出β/π的合理的值，从所得到的β/π值通过计算，得出波长和Δn·d之间的关系。
5．如权利要求1所述的测量厚度的方法，其特征在于，所述第一偏振单元传输轴和所述第二偏振单元传输轴是彼此正交的。
6．如权利要求1所述的测量厚度的方法，其特征在于，所述第一偏振单元传输轴和所述第二偏振单元传输轴是彼此平行的。
7．如权利要求1所述的测量厚度的方法，其特征在于，假定由所述第一偏振单元传输轴和在接触所述光射入的衬底的所述液晶层的平面上的排列方向形成的角度为φ，在0°到90°的范围内对多个φ执行所述光接收步骤、所述色散步骤以及所述波长导出步骤。
8．如权利要求1所述的测量厚度的方法，其特征在于，在所述Δn·d导出步骤中使用Cauchy色散公式。
9．如权利要求1所述的测量厚度的方法，其特征在于，所述反射区域具有散射度，并且所述光接收单元在偏离相应于入射的正反射方向的位置处接收光。
10．一种用于测量厚度的装置，其特征在于，所述装置包括光源；第一偏振单元，用于传输来自所述光源的光；第二偏振单元，用于传输在待测量目标处反射的反射光；光接收单元，用于接收通过所述第二偏振单元传输的所述反射光；色散单元，用于对通过所述光接收单元接收的反射光进行光谱分析，以检测波长λ和反射光强度之间的关系；波长导出单元，用于发现满足偏振平面保持条件的波长，在该条件中，所述反射光返回保持与所述入射时刻的偏振平面相同的偏振平面，即，反射光的寻常光线和非常光线之间的光程差是波长的整数倍和半波长的和，或波长的整数倍；Δn·d导出单元，用于从波长导出单元得到的波长和所述液晶层的已知扭曲角得出合理的Δn·d，以从波长和Δn·d的多个组合得出波长和Δn·d之间的关系；以及厚度导出单元，用于通过把已知的波长λ和Δn的组合赋予所述关系而得出所述d。
11．如权利要求10所述的测量厚度的装置，其特征在于，通过发现所述反射光强度假定为极值处的波长值来执行所述波长导出单元。
12．如权利要求10所述的测量厚度的装置，其特征在于，在所述Δn·d导出单元中使用琼斯矩阵。
13．如权利要求12所述的测量厚度的装置，其特征在于，当α=Δn·dπ/Θλ…(等式1)和β=Θ(1+α2)]]>…(等式2)时(其中Θ是所述液晶层的已知扭曲角)，β/π是n或n+1/2(n是整数)的情况中，从当保持反射光的偏振平面时的波长λ、所述扭曲角Θ、和所述等式1和2得出β/π的合理的值，从所得到的β/π值通过计算，得出波长和Δn·d之间的关系。
14．如权利要求10所述的测量厚度的装置，其特征在于，所述第一偏振单元传输轴和所述第二偏振单元传输轴是彼此正交的。
15．如权利要求10所述的测量厚度的装置，其特征在于，所述第一偏振单元传输轴和所述第二偏振单元传输轴是彼此平行的。
16．如权利要求10所述的测量厚度的装置，其特征在于，假定由所述第一偏振单元传输轴和在接触所述光射入的衬底的所述液晶层的平面上的排列方向形成的角度为φ，在0°到90°的范围内对多个φ使用所述光接收单元、所述色散单元以及所述波长导出单元。
17．如权利要求10所述的测量厚度的装置，其特征在于，在所述Δn·d导出步骤使用Cauchy色散公式。
18．如权利要求10所述的测量厚度的装置，其特征在于，所述反射区域具有散射度，并且所述光接收单元在偏离相应于入射的正反射方向的位置处接收光。
19．在反射型液晶显示元件中，一种测量液晶层厚度的方法，所述液晶层具有经排列处理的上表面和下表面以及在厚度方向上一致的双折射率Δn，所述反射型液晶显示元件包括在一对衬底之间的所述液晶层，并具有所述一个衬底的至少一部分中的反射区域，其特征在于，所述方法包括下列步骤光接收步骤，通过第一偏振单元把光从具有液晶的双折射率Δn是已知的波长的单色光源入射到所述液晶层，并通过第二偏振单元接收通过在所述反射区处的反射从液晶层射出的反射光；旋转光接收步骤，在改变旋转角度的同时接收光，所述旋转角度是由所述第一和第二偏振单元和当从上面观看时的所述液晶层所形成的角度，通过与所述光接收步骤相配合而保持通过所述第一偏振单元和所述第二偏振单元各自的传输轴形成的角度为恒定；角度导出步骤，得出满足偏振平面保持条件的所述旋转角度，在所述条件中，所述反射光返回保持与在射入时刻的偏振平面相同的偏振平面，即，反射光的寻常光线和非常光线之间的光程差是波长的整数倍和半波长的和，或波长的整数倍；以及厚度导出步骤，通过所述角度导出步骤和所述液晶层的已知扭曲角得出一个角度，根据从所得出的角度导出的Δn·d和所要求波长之间的关系而选择合理的Δn·d，从所选择的合理的Δn·d得出d。
20．如权利要求19所述的测量厚度的方法，其特征在于，通过得出所述旋转角度的值来执行所述角度导出步骤，在所述旋转角度处假定所述反射光强度为极值。
21．如权利要求19所述的测量厚度的装置，其特征在于，在所述厚度导出步骤中使用琼斯矩阵来得出Δn·d。
22．如权利要求21所述的测量厚度的装置，其特征在于，在假定由所述第一偏振单元传输轴和所述液晶层的入射侧表面上的排列方向所形成的角度为φ，而且假定所述液晶层的扭曲角为Θ的情况下，从保持所述反射光的偏振平面的角度φ和已知所述扭曲角而得出合理的Δn·d/λ值，从所得到的Δn·d/λ值得出波长λ处的Δn·d。
23．如权利要求19所述的测量厚度的装置，其特征在于，所述第一偏振单元传输轴和所述第二偏振单元传输轴是彼此正交的。
24．如权利要求19所述的测量厚度的装置，其特征在于，所述第一偏振单元传输轴和所述第二偏振单元传输轴是彼此平行的。
25．如权利要求19所述的测量厚度的装置，其特征在于，所述反射区域具有散射度，并且所述光接收单元在偏离相应于入射的正反射方向的位置处接收光。
26．一种用于导出角度的装置，所述装置包括单色光源；第一偏振单元，用于传输来自所述单色光源的光；第二偏振单元，用于传输在待测量目标处反射的反射光；光接收单元，用于接收通过所述第二偏振单元反射的所述反射光；旋转光接收单元，用于在改变旋转角度的同时接收光，所述旋转角度是由所述第一和第二偏振单元和当从上面观看时的所述液晶层所形成的角度，通过与所述光接收单元相配合而保持由所述第一偏振单元和所述第二偏振单元各自的传输轴形成的角度为恒定；以及角度导出单元，用于得出满足偏振平面保持条件的所述旋转角度，在所述条件中，所述反射光返回保持与在射入时刻的偏振平面相同的偏振平面，即，反射光的寻常光线和非常光线之间的光程差是波长的整数和半波长的和，或波长的整数倍。
27．一种用于测量厚度的装置，其特征在于，所述装置包括单色光源；第一偏振单元，用于传输来自所述单色光源的光；第二偏振单元，用于发射在待测量目标处反射的反射光；光接收单元，用于接收通过所述第二偏振单元发射的所述反射光；旋转光接收单元，用于在改变旋转角度的同时接收光，所述旋转角度是由所述第一和第二偏振单元和当从上面观看时的所述液晶层所形成的角度，通过与所述光接收单元相配合而保持由所述第一偏振单元和所述第二偏振单元各自的传输轴形成的角度为恒定；角度导出单元，用于得出满足偏振平面保持条件的所述旋转角度，在所述条件中，所述反射光返回保持与在射入时刻的偏振平面相同的偏振平面，即，反射光的寻常光线和非常光线之间的光程差是波长的整数倍和半波长的和，或波长的整数倍；Δn·d导出单元，用于从所述角度导出单元得出的角度来得出波长λ和Δn·d之间的关系；以及厚度导出单元，用于使用波长λ和已知Δn而得到d。
28．如权利要求27所述的测量厚度的装置，其特征在于，通过得出反射光强度假定为极值的所述旋转角度值而执行所述角度导出单元。
29．如权利要求27所述的测量厚度的装置，其特征在于，在所述Δn·d导出单元中使用琼斯矩阵。
30．如权利要求29所述的测量厚度的装置，其特征在于，在假定由所述第一偏振单元传输轴和所述液晶层的入射侧表面上的排列方向所形成的角度为φ，而且假定所述液晶层的扭曲角为Θ的情况下，从保持所述反射光的偏振平面的角度φ和已知所述扭曲角Θ而得出合理的Δn·d/λ值，从所得到的Δn·d/λ值得到波长λ处的Δn·d。
31．如权利要求27所述的测量厚度的装置，其特征在于，所述第一偏振单元传输轴和所述第二偏振单元传输轴是彼此正交的。
32．如权利要求27所述的测量厚度的装置，其特征在于，所述第一偏振单元传输轴和所述第二偏振单元传输轴是彼此平行的。
33．如权利要求27所述的测量厚度的装置，其特征在于，所述反射区域具有散射度，并且所述光接收单元在偏离相应于入射的正反射方向的位置处接收光。
34．一种用于导出波长的装置，其特征在于，所述装置包括光源；第一偏振单元，用于传输来自所述光源的光；第二偏振单元，用于发射在待测量目标处反射的反射光；光接收单元，用于接收通过所述第二偏振单元发射的所述反射光；色散单元，用于对通过所述光接收单元接收的反射光进行光谱分析，以检测波长λ和反射光强度之间的关系；波长导出单元，用于得出满足偏振平面保持条件的波长，在该条件中，所述反射光返回保持与在所述入射时刻的偏振平面相同的偏振平面，即，反射光寻常光线和非常光线之间的光程差是波长的整数倍和半波长的和，或波长的整数倍。
全文摘要
本发明揭示一种测量厚度的方法,利用反射光的特征来测量液晶层(11)的厚度,其中,当满足偏振平面保持条件时,光返回保持与在入射时刻的偏振平面相同的偏振平面,其中,反射光的寻常光线和异常光线之间的光程差是波长的整数倍和半波长的和,或波长的整数倍,以得出满足偏振平面保持条件处的波长。从而得出合理的Δn·d。对多个波长执行该方法以得到波长和Δn·d之间的关系表达式。把波长λ和Δn的已知组合赋予关系表达式以得到d。
文档编号G02F1/13GK1307247SQ0110339
公开日2001年8月8日 申请日期2001年1月31日 优先权日2000年1月31日
发明者土肥敦之 申请人:夏普公司