专利名称：测量双折射层厚度的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量一种待测物体，如液晶的双折射层厚度的一种方法和装置。
在已有技术的测量液晶厚度的装置中，是将一个需要测量的液晶盒放置在一个偏振片和一个检偏器之间。一个光源产生一束具有多个波长的光，一台单色仪或分光仪接收所产生的光并生成具有单一波长λ的光。这束光顺序通过偏振片、液晶层和检偏器，用一个光传感器探测从检偏器中透射出来的光。该偏振片透射轴的方向与液晶盒入射侧的摩擦方向平行。待测液晶具有大约90°的扭旋角。
液晶层的厚度是用上述的装置测量的。如果单色仪发射的光波长用λ表示，则从偏振片、液晶和检偏器中透射的光透射率T表示为下式(公式(1))T=sin2((π/2)1+u2)/(1+u2)]]>其中u＝2△nd/λ△n表示液晶双折射的程度或者正常折射率与异常折射率之间的差，d表示液晶层的厚度。于是如果将透射率T变为零时的波长表示为λs，则从(1)式可以推导出公式(2)。(公式(2))d=λs/Δn×m2-1/4]]>其中m＝1、2、3……于是，通过改变单色仪的波长测定由光传感器探测到的光强度为零时的波长，或透射率变为零时的波长λs。然后，将该波长λs代入公式(2)，求出液晶层的厚度。
但是上述的方法有几个缺点。首先，可以测量其厚度的液晶层限于扭旋角大约为90°的液晶层。其次，需要使液晶盒的摩擦方向平行于两个偏振片的透射方向，摩擦方向是已知的。然而，一般来说测量摩擦方向是很困难的，并且使液晶的摩擦方向正确地与两个偏振片的透射方向保持一致是不可能的。而且，由于需要单色仪或分光仪，测量需要大约1分钟的时间。所以，这种方法不可能应用于诸如需要高速处理的在线检测中。最后，因为采用单色仪或分光仪，这种装置具有一个复杂的结构，其成本也高。
本发明的一个目的是提供一种正确地和足以适用于在线检测的高速度测量双折射层厚度的方法和装置，即使是不具有90°扭旋角的液晶或者其摩擦方向未知的液晶，也能够以低廉的成本进行制造。
根据本发明的一个方面，双折射层的厚度是按以下方式进行测量的将具有双折射层的一个待测物体如一个液晶盒和一个相移片放置在以平行尼科尔棱晶或者正交尼科尔棱晶形式设置的第一偏振片和第二偏振片之间的光路中。相移片这样设置，使得第一偏振片的透射方向与光轴一致。然后，在探测透射第二偏振片的光强度时将相位片旋转。于是，在光强度达到极限值时测定相移片的旋转角度。再根据极限值时的旋转角度计算出双折射层的厚度。
根据本发明的第二方面，按如下不同的方式测量双折射层的厚度按照这种方法，用一个半波片作为相移片，具有双折射层的待测物体被设置成可以旋转的状态。首先，旋转该物体，将其设置在某一位置，使得透射过第二偏振片的光强度具有极限值。然后，旋转半波片，当透射过第二偏振片的光强度达到极限值时测定半波片的旋转角度。之后，根据半波片的旋转角度，计算出双折射层的厚度。
本发明的一个优点是快速测量厚度。
本发明的另一个优点是可以对扭旋角不等于90°的液晶盒进行测量。
本发明的又一个优点是可以用非常简单的光学统测量厚度。
本发明的这些和其它目的及特征通过以下参照附图结合最佳实施例所作的描述可以变得更加美梦，其中
图1为本发明的第一实施例中用于测量双折射层厚度的一种方法的基本光学系统的示意图；图2为第一实施例的测量方法的流程示意图3为该实施例中光学系统的坐标示意图；图4为在偏振片是平行尼科尔棱晶和相移片4的相位差δ为λ/8的情况下所测得的光强度相对于相移片的旋转角度的曲线图；图5为在偏振片是正交尼科尔棱晶和相移片4的相位差δ为λ/8的情况下所测得的光强度相对于相移片的旋转角度的曲线图；图6为在偏振片是正交尼科尔棱晶和相移片4的相位差δ为λ/8的情况下所测得的光强度相对于相移片的旋转角度的曲线图；图7为在偏振片是正交尼科尔棱晶和相移片4的相位差δ为λ/8的情况下所测得的光强度相对于相移片的旋转角度的曲线图；图8为在偏振片是正交尼科尔棱晶和相移片4的相位差δ为λ/8的情况下所测得的光强度相对于相移片的旋转角度的曲线图；图9为在偏振片是正交尼科尔棱晶和相移片4的相位差δ为λ/8的情况下所测得的光强度相对于相移片的旋转角度的曲线图；图10为测量折射层厚度的装置的示意图；图11为本发明的第二实施例中用于测量双折射层厚度的另一种基本光学系统的示意图；图12为第二实施例中的测量方法的流程示意图；图13为用于测量双折射层厚度的另一种装置的示意图。
现在参见附图，其中相同的标号指示在几幅图中相同或对应的部件，图1表示了在本发明的第一实施例中测量双折射层厚度的一个基本光学系统。在图1中，一个单波长光源1和一个激光器发射出一束波长为λ的光。沿着这束光的光轴20，依次设置一个偏振片2、包含在一个液晶盒中的液晶层3，一个相移片4、另一个偏振片6和一个光探测器7。液晶层3是需要测量的具有双折射层的物体的一个实例，它具有正常折率no和异常折射率ne。物体3设置在两个偏振片2和6之间，两个偏振片设置成平行尼科尔或者正交尼科尔棱晶的形式。具有相位差δ的相移片4设置在两个偏振片2、6之间。因此，光探测器7探测从第二偏振片6透射出的光。
下面，参照附图2的流程图说明如何利用具有上述结构的光学系统测量双折射层3的厚度。首先，将第一偏振片2和第二偏振片6与设置在它们之间的液晶层3组成平行尼科尔或者正交尼科尔棱晶(步骤S2)。然后，使相移片4的光轴与第一偏振片2的透射轴一致(步骤S4)。接着，旋转相移片4，当光探测器7的探测强度达到极限值时测量旋转角度α(步骤S6)。随后，将测得的旋转角度α代入后面说明的公式(11)中，并计算出该双折射层(液晶层)3的厚度(步骤S8)。
下面参照几个公式说明测量双折射层(液晶层)厚度的上述方法的原理。
图3表示图1中所示光学系统的坐标。在图3中，标号10表示偏振片2的透射轴，相对于X轴的角度表示为et。标号11表示液层3入射侧的摩擦方向，相对于X轴的角度表示为Ф。标号12表示液晶盒出射侧的摩擦方向，液晶盒入射侧的摩擦方向与出射侧的摩擦方向之间的角度定义为扭旋角，表示为θ。所说摩擦方向表示液晶盒中液晶分子的取向。标号13表示相移片4的光轴，相对于X轴的角度表示为α。标号14表示偏振片6的透射轴，相对于X轴的角度表示为ex。
利用上述的坐标，可将偏振片2的透射光表示为用约当矩阵A表示的公式(3)。
(公式(3))A=cos(et)sin(et)]]>此外，液晶3的约当矩阵B表示为公式(4)，相移片4的约当矩阵C表示为公式(5)，另一偏振片6的约当矩阵表示为公式(6)。
(公式(4))
其中p＝cos(γ)cos(θ)+(θ/γ)sin(γ)sin(θ)q＝-(β/γ)sin(γ)cos(θ+2Ф)r＝-cos(γ)sin(θ)+(θ/γ)sin(γ)cos(θ)s＝-(β/γ)sin(γ)sin(θ+2Ф)γ=β2+θ2]]>η＝d(ne+no)π/γ和
β＝d(ne-no)π/λ(公式(5))C=R(α)exp(iδ/2)00exp(-iδ/2)]]>其中R(θ)=cosθ-sinθsinθcosθ]]>公式(6))D=R(ex)1000R(-ex)]]>所以，偏振片6的透射光的约当矩阵E(Ex，Ey)可以表示为公式(7)，光探测器7所探测的光强度F可以表示为公式(8)。
(公式(7))E=ExEy=DCBA]]>(公式(8))F＝|Ex|2+|Ey|2如果将偏振片2的透射轴的方向取为et＝0，并不会丧失以上公式的通用性。于是将et设为零。再将另一偏振片6的透射轴方向ex设置为ex＝0°以构成平行尼科尔或者90°以构成正交尼科尔棱晶。
在平行尼科尔的情况下，光探测器7所探测的光强度F1表示为公式(9)，在正交尼科尔的情况，光探测器7探测到的光强度F2表示为公式(10)。
(公式(9))F1＝Fet＝o，ex＝o＝(1/4){(-p2-q2+r2+s2)cos(δ)+p2+q2-r2-s2}cos(4α)+(1/2){(pr-sq)cos(δ)-pr+sq}sin(4α)-(ps+qr)sin(δ)sin(2α)+(1/4){p2+q2-r2-s2}(cosδ)+(3/4)(p2+q2)+(1/4)(r2+s2)公式(10))F2＝Fet＝o，ex＝π/2＝(1/4){(p2+q2-r2-s2)cos(δ)-p2-q2+r2+s2}cos(4α)+(1/2){(-pr+sq)cos(δ)+pr-sq}sin(4α)+(ps+qr)sin(δ)sin(2α)+(1/4){-p2-q2+r2+s2}(cosδ)+(1/4)(p2+q2)+(3/4)(r2+s2)接着，利用表1中编制的模拟条件对强度F1和F2进行模拟探测。
表1
图4-9表示利用光探测器7对于平行尼科尔和正交尼科尔棱晶所测得的光强度与相移片4旋转角度的关系。表2表示在这些图中相移片4与偏振片2和6的相位差的偏振状态的关系。换句话说，图4表示偏振片为平行尼科尔棱晶和相移片4的相位差δ为λ/8的情况；图5表示偏振片为正交尼科尔棱晶和相移片4的相位差δ为λ/8的情况；图6表示偏振片为平行尼科尔棱晶和相移片4的相位差δ为λ/4的情况；图7表示偏振片为正交尼科尔棱晶和相移片4的相位差δ为λ/4的情况；图8表示偏振片为平行尼科尔棱晶和相移片4的相位差δ为λ/2的情况；图9表示偏振片为正交尼科尔棱晶和相移片4的相位差δ为λ/2的情况。
表2
。
(公式(11))∂F1∂α=0]]>∴{(p2+q2-r2-s2)cos(δ)-p2-q2+r2+s2}sin(4α)+2{(pr-sq)cos(δ)-pr+sq}cos(4α)-2(ps+qr)sin(δ)cos(2α)＝0(公式12))∂F2∂α=0]]>∴{(p2+q2-r2-s2)cos(δ)-p2-q2+r2+s2}sin(4α)+2{(pr-sq)cos(δ)-pr+sq}cos(4α)-2(ps+qr)sin(δ)cos(2α)＝0比较这两个公式，可以发现公式(11)与公式(12)是一样的。
如果在公式(11)中液晶的双折射程度(△n＝ne-no)、液晶的扭曲角度(θ)、测量波长(λ)、相移片的相位差(δ)和相移片在光强为极限值时的旋转角度α是已知的，而只有液晶层的厚度是未知的。那么，通过求解方程(11)可以得出厚度d。
对液晶层厚度测量的精确度取决于对相移片4的旋转角度α的测量精确度。当旋转角度的测量精度为0.05°时厚度的测量精度可以达到10毫微米。测量是在将相移片4旋转若干度的时间内或者在大约1秒的时间内完成的。因此，能够快速测量是本发明的一个优点。
如上所述，根据本实施例，光探测器7所探测到的光强是通过旋转相移片4而改变的。因此，首先测量当光强处于极限值时的旋转角度α，然后根据公式(11)就以高精度得出液晶层的厚度d。
图10表示用于测量双折射层厚度的一个装置。在图10中，同样的标号表示与图1中基本相同的部件。一个旋转装置5旋转相移片4。一个控制器8在光探测器7的信号的基础上控制旋转装置5，计算机9根据由控制器8所确定的相移片4的旋转角度计算作为待测物体的液晶3的厚度。
现在参照图2的流程图说明利用具有上述结构的光学系统测量双折射层厚度的一种方法。首先，将偏振片2和6与在它们之间、并设置在旋转装置上面的液晶盒构成一个平行尼科尔或者正交尼科尔棱晶。然后，使相移片4的光轴与偏振片2的透射轴方向一致。接着，由控制器8和旋转装置旋转相移片4，测量当光探测器的探测强度达到极限值时的旋转角度α。再将旋转角度α代入公式(11)，用计算机计算双折射层(液晶盒3)的厚度。于是，求得了双折射层(液晶盒3)的厚度。
本实施例具有许多优点。由于可以采用非常简单的光学系统测量厚度，所以测量装置的成本很低。此外，由于能够快速进行测量，样品的数量可以从抽样检测增加到全部检测。因此，采用这种装置可以增加生产量。此外，由于与现有技术相比，能够测量扭曲角度不等于90°的液晶，所以能够测量许多种液晶。
尽管在本实施例中使用的是一种简单的相移片4，但是不用说还可以将巴比奈特索莱尔补偿器与相移片结合使用。
在此实施例中，是将液晶层作为测量的物体。但是可以测量的物体并不限于液晶，任何具有双折射的物体都可以被测量。
下面，说明本发明测量双折射层厚度的第二实施例。图11表示了第二实施例的基本光学系统，其中相同的标号指示与图1中所示基本相同的部件。在此光学系统中，采用一个相差为λ/2的半波片16代替相差不等于λ/2的相移片4。
接着参照附图12中的流程图说明如何利用上述光学测量一个双折射层的厚度。首先，将偏振片2和6组成平行尼科尔或者正交尼科尔棱晶(步骤S10)。然后，旋转液晶3，将其设定在使光探测器7的探测强度为极限值的位置(步骤S12)。接着，调整半波片16的光轴，使其与偏振片2的透射轴方向一致(步骤S14)。然后，旋转半波片，测量当光探测器7的探测强度为极限值时的旋转角度α(S16)。之后，将旋转角度α代入在后面说明的公式(18)中，计算双折射层(液晶层)的厚度(S18)。
下面，参照一些公式说明该测量方法的原理，它表明即使液晶的摩擦方向Ф是未知，也能够测得液晶层的厚度。
如果没有使用半波片16，则偏振片6的光透射的约当矩阵表示为公式(13)，光探测器7的探测强度H表示为公式(14)。
(公式(13))G=GxGy=DBA]]>(公式14))H＝|Gx|2+|Gy|2如同在第一实施例中一样，如果将偏振片2的透射轴方向ex设定为et＝0，上述公式的通用性并不丧失。于是，et被设定为零。然后，将另一偏振片6的透射轴方向ex设定为0°以组成平行尼科尔或者设定为90°以组成正交尼科尔。
在平行尼科尔的情况，光探测器7的探测强度H1表示为公式(15)，在正交尼科尔的情况，光探测器7的探测强度H2表示为公式(16)。
(公式(15))H1＝Het＝0，ex＝0＝p2+q2＝cos2(γ)cos2(θ)+(θ/2γ)sin(2γ)sin(2θ)+(θ2/γ2)sin2(γ)sin2(θ)+(β2/γ2)sin2(γ)cos2(θ+2Ф)(公式(16))
H2＝Het＝0，ex＝π/2＝r2+s2＝cos2(γ)sin2(θ)-(θ/2γ)sin(2γ)sin(2e)+(θ2/γ2)sin2(γ)cos2(θ)+(β2/γ2)sin2(γ)sin2(θ+2Ф)从公式(15)和公式(16)可以看出，当液晶层3旋转时，公式(15)和(16)中的四项发生变化，于是探测强度也变化。
当探测强度达到极限值时的角度值测定为Ф，其中公式(15)和(16)对Ф的偏微分变为零，它表示为公式(17)。
公式(17)Ф＝(m×π-2×θ)/4其中m是一个整数。
利用公式(17)，液晶层的约当矩阵中与液晶盒摩擦方向Ф相关的矩阵元q和s具有如表3所示的值，它们与液晶盒的摩擦方向Ф无关。
表3
当这些值被代入公式(11)中时，由于公式左边的第一项和第二项为q2、s2或qs，所以其中的符号±被消掉了。另一方面，由于在第三项(ps+qr)中保留了±号，所以液晶层的厚度不能唯一确定。但是，采用了半波片，在公式(11)的第三项中sinδ＝sinπ＝0。因此，不存在依赖±号的项。所以，可以唯一确定液晶层的厚度。在公式(11)中用π代替相差δ，并利用表3，则可得到公式(18)。
公式(18)tan(4α)＝2pr/(r2+s2-p2-q2)如果在公式(18)中液晶的异常折射率与正常折射率之间的差值(△n＝ne-no)、液晶的扭曲角度(θ)、测量波长(λ)和相移片在光强为极限值时的旋转角度α是已知的，而只液晶层的厚度是未知的。那么，通过求解方程(18)可以得到厚度d。
图13表示一个用于测量双折射层厚度的装置，其中相同的标号表示具有相同功能的部件。旋转装置15旋转液晶层3。控制器17控制旋转装置15对液晶层3的旋转和旋转装置15对相移片16的旋转。计算机18根据在控制器17控制下半波片16的旋转角度计算作为被测物体的液晶层3的厚度。
下面参照图12中所示的流程图说明利用该装置的光学系统测量双折射层厚度的一种方法。首先，将偏振片2和6组成平行尼科尔或者正交尼科尔棱晶。然后，将液晶层3设置在旋转装置15上，使得液晶层3可以由旋转装置15在控制器17的控制下旋转。通过旋转使其处于光探测器7的探测强度具有极限值的位置。接着调整半波片16的光轴使之与偏振片2的透射轴一致。然后，用由控制器17控制的旋转装置15使半波片旋转，测量光探测器7的探测强度为极限值时的旋转角度α。然后将旋转角度α代入上述的公式(18)中，用计算机计算出液晶层的厚度。
如上所述，实现了与第一实施例相似的优点。此外，通过旋转液晶层3，使得光探测器的探测强度为极限值，那么即使所液晶的摩擦方向是未知的，也能够根据半波片的旋转角度正确地确定液晶层(双折射层)的厚度。
虽然已经参照附图并结合最佳实施例对本发明进行了说明，但是应当指出对于本领域技术人员来说还可以作出许多改进和变化。应当理解这种改进和变化属于由权利要求书所限定的本发明的范围，除非它们脱离了本发明的构思。
权利要求
1.一种测量双折射层厚度的方法，其特征在于它包括以下步骤(a)将具有双折射层的待测物体放入组成平行尼科尔或正交尼科尔棱晶的第一和第二偏振片之间的光路中；(b)在所说第一和第二偏振片之间设置一个相移片从而使第一偏振片的透射方向与光轴一致；(c)旋转所说相移片，测量当从第二偏振片中透射出的光强度为极限值时的旋转角度；(d)根据所说相移片的旋转角度计算所说双折射层的厚度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说的相移片包括一个巴比奈特-索莱尔补偿器。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说的双折射层包括液晶层。
4.用于测量双折射层厚度的装置，其特征在于它包括一个发射具有单一波长光的光源；在光路中构成平行尼科尔或正交尼科尔棱晶的第一和第二偏振片；具有双折射层并设置在第一和第二偏振片之间的待测物体；设置在所说第一和第二偏振片之间的一个相移片；一个用于探测第二偏振片透射光的光探测器。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于它还包括一个用于旋转所说相移片的装置。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于所说相移片包括一个巴比奈特-索莱尔补偿器。
7.如权利要求4所示的装置，其特征在于所说双折射层包括液晶层。
8.一种测量具有一定取向的双折射层厚度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤(a)将具有双折射层的待测物体放入形成平行尼科尔或正交尼科尔棱晶的第一和第二偏振片之间的光路中；(b)旋转所说物体，将双折射层的位置设定成使第二偏振片的透射光强度为极限值；(c)在所说的第一和第二偏振片之间设置一个半波片，使得第一偏振片的透射方向与光轴方向一致；(d)旋转所说半波片，测量当第二偏振片的透射光强度为极限值时的其旋转角度；(e)根据所说半波片的旋转角度计算所说双折射层的厚度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所说的双折射层包括液晶层。
10.一种用于测量双折射层厚度的装置，其特征在于它包括一个发射单一波长光的光源；在其光路中组成平行尼科尔或正交尼科尔的第一和第二偏振片；一个具有双折射层的待测物体，该物体设置在组成平行尼科尔或正交尼科尔棱晶的第一和第二偏振片之间的光路中；一个半波片，设置在所说第一和第二偏振片之间；一个用于探测所说第二偏振片透射光的光探测器。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于它还包括一个用于旋转所说物体的第一装置，和一个用于旋转所说半波片的第二装置。
12.如权利要求10所述的装置，其特征在于所说双折射层包括液晶层。
全文摘要
将液晶层3设在平行或正交尼科尔棱晶的两个偏振片2、6之间，并在其间设置一相移片4使第一偏振片透射方向与光轴一致，再测量第二偏振片透射光强为极限值时的旋转角度，并按相移片旋转角度计算双折射层厚度。另一方法采用了一个半波片，首先将液晶层设在光强为极限值的位置，调整两个偏振片间的半波片使第一偏振片透射方向与光轴一致，然后测量当第二偏振片透射光强为极限值时的半波片旋转角度，再根据该角度计算双折射层厚度。
文档编号G01N21/21GK1155652SQ96110780
公开日1997年7月30日 申请日期1996年6月26日 优先权日1995年6月26日
发明者伊藤正弥, 西井完治, 高本健治, 福井厚司 申请人:松下电器产业株式会社