液晶盒的倾角测定方法和装置 【技术领域】
本发明涉及向液晶屏封入了垂直取向(VA)模式的液晶(以下称“VA液晶”)或水平取向(IPS：面内切换)模式的液晶(以下称“IPS液晶”)的状态下的该液晶盒的倾角测定方法和装置。
本发明尤其涉及在具有多畴结构的VA液晶盒中，该液晶盒的倾角测定方法和装置。
背景技术
图9示出VA液晶盒的多畴结构。在向相对置的玻璃基片11、12之间注入了液晶的液晶盒的各像素区域中，在一个玻璃基片12上的取向膜的表面或底层设置突起状的结构物31。根据该构成，一像素内的各区域(称为“畴”)中的液晶分子a的取向在各个畴中向不同方向倾斜。
在没有电压时，各液晶分子a因结构物31而相对于基片面在各个畴中向不同方向稍微倾斜(该角度称为“倾角”，尤其指未施加电压时的倾角，也称为“预倾角”)。如果施加电压，则液晶分子向预先倾斜的方向大幅度倾斜。由于在像素中的各个畴中该倾斜方向为不同的方向，所以获得视野角宽的优良的液晶显示器。
作为现有的VA液晶盒的倾角测定方法，在液晶盒的两面上配置了偏振元件和检测元件的状态下，从配置了偏振元件的一侧向液晶盒照射具有单一波长的光束。此时，一边使偏振元件和检测元件各自的透射轴相互间维持预定的角度(例如正交或平行)，一边在液晶盒的明视方向上使该液晶盒倾斜。由此，在各倾斜角下测定在检测元件侧检测到的液晶盒的透射光强度的视角依赖性，基于其对称点的角度确定液晶分子的预倾角(所谓晶体旋转法)。作为参考文献，参照日本特开2008-58865号公报、国际公开第01/22029号出版物。
但是，在上述的现有方法中，由于一边改变液晶盒的角度一边多次测定液晶盒的透射光强度，所以测定需要时间。
另外，在具有多畴结构的液晶盒的场合，用上述现有方法的宏观光学系统不能测定许多畴上的平均倾角(即，有时个别畴的倾斜被抵销)。于是，如果按畴测定倾角，则必须使用显微光学系统，使测定光斑与畴的大小一致。因此，需要精密的显微光学系统。
【发明内容】
本发明的目的在于提供只需一次测定液晶盒的透射光强度即可、且无需显微光学系统的液晶盒的倾角测定方法和装置。
在本部分中，括号内的附图标记表示后述的“具体实施方式”中对应构成要素的附图标记，但无意于用这些附图标记限定权利要求书的范围。
本发明的液晶盒的倾角测定方法是，从光源(21)的光取出线偏振分量的光；把该偏振分量的光照在液晶盒(23)上以使得该光地光轴(B)与液晶盒(23)的法线成倾斜的角度(θ)；基于透过液晶盒(23)后出射的光中的与上述线偏振分量成直角方向的、即在与光的传输方向垂直的面内成直角的方向的偏振分量中的光强度，求出光强度透射率(Tc)；用该光强度透射率(Tc)、液晶的正常光折射率(no)和异常光折射率(ne)、角度(θ)以及液晶的厚度(d)，求出液晶的倾角(β)。
根据该方法，把角度(θ)设定成预定值，只需一次测定就可以求出液晶的倾角(β)。
也可以是，上述求液晶的倾角(β)的工序包括：作为上述倾斜的角度(θ)的函数(称为第一函数)，求上述液晶的倾角(β)与把倾斜的液晶在上述液晶盒中的与光的行进方向垂直的面内投影时该投影面内的液晶的倾角(β′)的关系的第一工序；以及作为上述光强度透射率(Tc)的函数(称为第二函数)，求上述液晶的倾角(β)与上述投影面内的液晶的倾角(β′)的关系的第二工序。
也可以是，上述第一函数包含液晶的折射率(n)作为变量，上述第二函数包含上述正常光折射率(no)与异常光折射率(ne)的折射率差(Δn)和在液晶内部的光路长度(d′)分别作为变量。
液晶盒(23)在一个像素内包含多个畴(D)，只要液晶是在各个畴(D)中向不同方向倾斜的液晶盒(23)，优选地，光强度透射率(Tc)包含液晶盒(23)的所有畴的面积中的、倾角(β)朝着与光轴(B)不平行的方向的畴的面积所占的比例作为系数(A)。通过考虑该系数(A)，在光照射到液晶盒(23)的范围内，可以不相互抵消而求出朝向不同方向的倾角(β)。
通过用透过液晶盒(23)后出射的原样的光的光强度除透过液晶盒(23)后出射的光中的、与偏振分量正交的偏振分量中的光强度，可以计算上述光强度透射率(Tc)。
另外，也可以通过用透过液晶盒(23)后出射的光中的、与偏振分量成直角方向的偏振分量中的光强度与透过液晶盒(23)后出射的光中的、与偏振分量平行的方向的偏振分量中的光强度的合计值，除透过液晶盒(23)后出射的光中的、与偏振分量正交的偏振分量中的光强度，计算上述光强度透射率(Tc)。
本发明的液晶盒的倾角测定方法，也可以通过使液晶的正常光折射率(no)和异常光折射率(ne)作为波长(λ)的函数、用角度(θ)以及液晶的厚度(d)，以液晶分子的倾角(β)作为参数，求光强度透射率(Tc)与波长(λ)的关系(Tc(λ，β))；通过针对多个波长(λ)测定光强度透射率(Tc)，对其测定点(λ，Tc)适用上述关系Tc(λ，β)，求出倾角(β)。该方法可以通过针对多个波长测定光强度透射率(Tc)，适用光强度透射率(Tc)与波长(λ)的关系(Tc(λ，β))，更正确地求出倾角(β)。
本发明的倾角测定装置，包括：从光源(21)的光取出线偏振分量的偏振元件(22)；能够把该偏振元件(22)的光照在液晶盒(23)上以使得该光的光轴(B)与液晶盒(23)的法线成倾斜的角度(θ)的光轴设定装置；取出透过液晶盒(23)后出射的光的、与偏振分量成直角方向(在与光的行进方向垂直的面内成直角的方向)的偏振分量的检测元件(24)；测定透过检测元件(24)后出射的光的光强度透射率(Tc)的检测器(26)；用该光强度透射率(Tc)，液晶的正常光折射率(no)和异常光折射率(ne)、角度(θ)以及液晶的厚度(d)，求出液晶的倾角(β)的数据处理装置(27)。
也可以是，上述数据处理装置包括：作为上述倾斜的角度(θ)的函数(称为第一函数)，求上述液晶的上述倾角(β)与把倾斜的液晶在上述液晶盒中的与光的行进方向垂直的面内投影时该投影面内的液晶的倾角(β′)的关系的第一处理装置；以及作为上述光强度透射率(Tc)的函数(称为第二函数)，求上述液晶的倾角(β)与上述投影面内的液晶的倾角(β′)的关系的第二处理装置。
也可以是，上述第一函数包含液晶的折射率(n)作为变量，上述第二函数包含上述正常光折射率(no)与异常光折射率(ne)的折射率差(Δn)和在液晶内部的光路长度(d′)分别作为变量。
另外，也可以，本发明的倾角测定装置，还包括把透过检测元件(24)后出射的光分光的分光器(25)；数据处理装置(27)把液晶的正常光折射率(no)和异常光折射率(ne)作为波长(λ)的函数存储、用角度(θ)以及液晶的厚度(d)，以液晶分子的倾角(β)作为参数，求光强度透射率(Tc)与波长(λ)的关系(Tc(λ，β))，通过对针对多个波长(λ)测定的光强度透射率(Tc)的测定点适用该关系，求出倾角。
象以上那样，根据本发明，具有无需显微光学系统，即使是宏观斑的光学系统也可以进行液晶的倾角测定的优良效果。
本发明的上述或其它的优点、特征、和效果可以通过以下的结合附图进行的实施方式的说明更清楚地理解。
【附图说明】
图1是实施预倾角测定方法的测定装置的构成图。
图2是根据实施预倾角测定方法的另一实施方式的测定装置的构成图。
图3是示出在多畴垂直取向(MVA)模式的液晶盒中，没有电压时的像素内的倾斜方向的平面图。
图4是画出从光轴B看到的液晶分子a1～a4的方向的示意图。
图5是示出在玻璃基片11、12之间填充的液晶中的光的行进方式的光路图。
图6是画出液晶内部的传输光的光轴B与各坐标轴x、y、z的坐标图。
图7是用来说明本发明的测定顺序的流程图。
图8是以液晶的倾角β为参数，计算了波入λ与光强度透射率Tc的关系Tc(λ，β)的曲线图。
图9是示出在相对置的玻璃基片11、12之间设置了突起状的结构物的液晶盒的多畴结构的剖面图。
(附图标记说明)
11、12：玻璃基片；21：光源；22：偏振元件；23：VA液晶盒；24：检测元件；25：单色镜；26：检测器；27：数据处理装置
【具体实施方式】
<装置构成>
图1是实施本发明的预倾角测定方法的测定装置的构成图。
该测定装置具有：卤灯等的光源21、从光源21出射的光取出线偏振光的偏振元件22、在样品设置台上设置的VA液晶盒23、从通过了VA液晶盒23的光取出线偏振光的检测元件24、用来从通过了检测元件24的光获得单色光的单色镜25、检测从单色镜25出射的光的强度的检测器26、以及数据处理装置27。另外，也可以取代单色镜25而配置多色镜。另外，在使用单色镜25时，也可以使单色镜25位于偏振元件22与光源21之间。
向VA液晶盒23照射从光源21出射的光时，不限定照射光斑的大小。无须收缩成如只包含一个畴那样的小的光斑。
偏振元件22的偏振方向设置成产生使光的电场与入射面(包含光的行进方向和液晶盒的法线y的面)平行地振动的偏振光(p偏振光)。由于检测元件24的偏振方向设置成与包含光的行进方向和液晶盒的法线y的面垂直的方向，所以可以以所谓“交叉尼科耳”的状态检测出通过了检测元件24的光。
偏振元件22和检测元件24被固定在一个框架上，通过用马达旋转该框架，可以改变向VA液晶盒23入射的入射角θ。马达的旋转角的数据与检测器26的输出信号一起被输入数据处理装置27。
另外，为了改变向VA液晶盒23入射的入射角θ，也可以采用固定框架，使承载VA液晶盒23的样品设置台倾斜的机构。
图2示出测定装置的变形例。该测定装置与图1的装置的不同之处在于，偏振元件22的偏振方向设置成产生使光的电场与入射面(包含光的行进方向和液晶盒的法线y的面)垂直地振动的偏振光(s偏振光)。由于检测元件24的偏振方向设置成与偏振元件22垂直的方向，所以可以以所谓“交叉尼科耳”的状态检测出通过了检测元件24的光。
<测定原理>
图3是示出在多畴垂直取向(MVA)模式的液晶盒中，没有电压时的像素内的倾斜方向的平面图。
四方的框表示一个像素P，其中分成四个畴D1～D4。在此，如果定义角度，则以向上为0度，按顺时针方向数90度、180度、270度。四个畴D1～D4中的右上的畴D1位于0～90度的区域，右下的畴D2位于90～180度的区域，左下的畴D3位于180～270度的区域，左上的畴D4位于270～360度(0度)的区域。
在右上的畴D1中预倾斜的液晶分子a1在右上45度的方向上取向；在右下的畴D2中预倾斜的液晶分子a2在右下135度的方向上取向；在左下的畴D3中预倾斜的液晶分子a3在左下225度的方向上取向；在左上的畴D4中预倾斜的液晶分子a4在左上315度的方向上取向。这样，在各个畴中，使液晶分子的取向在四个方向上倾斜。
在图3的例子中，液晶以90度间隔在四个方向上倾斜，但光学系统的光轴沿它们中的一个方位倾斜。把该倾斜了的光轴称为“光轴B”。具体地说，从左上315度方向朝着右下135度方向照射光。如果这样，从光轴B看到的液晶分子a1～a4的方向如图4所示。
在图4中，液晶盒在上下玻璃基片11、12之间填充液晶分子。以与玻璃基片11、12的面垂直的法线方向为y，以与光轴B垂直且与玻璃基片11、12的面平行的方向为x。液晶分子在与四个预倾斜方向对应的上述方向上取向。如果从光轴B看，液晶分子a1在x-y面内向左倾斜。如果从光轴B看，液晶分子a3在x-y面内向右倾斜。如果从光轴B看，液晶分子a2、a4不倾斜。
图5是示出在玻璃基片11、12之间填充的液晶中的光的行进方式的光路图。以与玻璃基片11、12垂直的方向为y，以包含光轴B且与玻璃基片11、12的面平行的方向为z，光以在y-z平面内从y轴倾斜角度θ而入射。如果液晶的折射率为n，则液晶内部的光轴倾斜角θ′用
(式1)
sinθ＝nsinθ′
表示。另外，如果玻璃基片11、12间的距离(盒间隙)为d，则在液晶内部的光路长度d′用
(式2)
d′=dcosθ′]]>
表示。
图6是画出液晶内部的传输光的光轴B与各坐标轴x、y、z的坐标图。液晶分子a3，相对于玻璃基片11、12的法线方向y，在x-y面内倾斜角度β。液晶分子a1，相对于方向y，在x-y面内倾斜角度-β。角度β用
(式3)
β=tan-1xy]]>
表示。光轴B，相对于方向y，在y-z面内倾斜角度θ′。
在此，定义与光轴B垂直的平面x-y′。然后，把位于平面x-y的液晶分子a3向平面x-y′投影。把该投影的液晶分子记为a3′。液晶分子a3′相对于y′轴在平面x-y′上倾斜角度β′。角度β′表示从光轴B的方向看到的液晶分子的轴偏离，用
(式4)
β′=tan-1xy′]]>
表示。
另外，如果考虑平面x-y′与平面x-y所成的角度为90度-θ′，则液晶分子a3′在平面x-y′上的坐标y′与在平面x-y上的坐标y关系为：
(式5)
y′＝ysinθ′
于是，如果代入上述(式1)、(式4)、(式5)，则角度β′与角度β的关系为
(式6)
β′=tan-1xysinθ′]]>
=tan-1ntanβsinθ.]]>
另一方面，入射的偏振光为s偏振光(图2)时，液晶的折射率n用
(式7)
n=nenono2sin2β+ne2cos2β]]>
表示，入射的偏振光为p偏振光(图1)时，液晶的折射率n用
(式8)
n=nenone2sin2β+no2cos2β]]>
表示。在此，“s偏振光”指使光的电场与入射面(包含光的行进方向和液晶盒的法线y的面；y-z面)垂直地振动的偏振光，“p偏振光”指使光的电场与上述入射面平行地振动的偏振光。图1的设置符合p偏振光，图2的设置符合s偏振光。另外，no是液晶的正常光折射率，ne是液晶的异常光折射率，都是液晶的常数。入射角θ是测定系统固有的常数。
在光的偏振光为s偏振光时，用这些式(6)和(7)理解β与β′的关系。在光的偏振光为p偏振光时，用这些式(6)和(8)理解β与β′的关系。
由于本发明的测定方法的目的是确定β，所以只要知道β与β′的另一个关系式，就可以使用方程式确定β。
于是，以下求β′、β与光强度透射率Tc的关系。
如果计算琼斯矩阵(Jones matrix)，导出交叉尼科耳状态的光强度透射率Tc的式，则如
(式9)
Tc=Asin2Δnd′πλsin22β′]]>
所示。在此，折射率差Δn是倾斜入射时的异常光线(extraordinarywave)的折射率ne与正常光线(ordinary wave)的折射率no之差。d′如前所述是光在液晶内部的光路长度。λ是在液晶内部的光的波长。但关于系数A，后面说明。
如果光轴B与液晶分子a3的夹角为θa(参照图6)，则角度θa与光的入射角θ′与液晶分子的倾角β之间有
(式10)
θa＝cos-1(cosθ′cosβ)
的关系，如果使用该角度θa，则可使用液晶的正常光折射率no、液晶的异常光折射率ne，以式11
(式11)
Δn=nenono2sin2θa+ne2cos2θa-no]]>
给出折射率差Δn。该式对于p偏振光(图1)、s偏振光(图2)二者都可以适用。这样，折射率差Δn成为β的函数。
在式9中，由于Tc是可以用检测器26测定的量，所以式9是表示β与β′的关系的式子。于是，如果把式6和式7(或式6和式8)合并，把两个关系式联合求解，就可以求出β。
在此对前面的系数A进行说明，A是多畴垂直取向(MVA)模式的液晶盒中的、倾角β与光轴B不平行的液晶分子的存在比例。即，在各像素内，如图4所示，存在倾角β与光轴B平行的液晶分子a2、a4和倾角β与光轴B不平行的液晶分子a1、a3。倾角β与光轴B平行的液晶分子a2、a4，在式9中，β′＝0，不透过光。
这是，从直观上看，沿图4所示的光轴B的方向入射的光不会被液晶分子a2、a4改变偏振状态，而是原样通过液晶盒。由于本发明的测定装置被设定成交叉尼科耳状态，所以原样通过液晶盒的光被检测元件24完全挡住。因此，倾角β与光轴B平行的液晶分子a2、a4对光的透过没有帮助。
系数A可以说是“液晶内部的所有液晶分子中的、倾角β与光轴B不平行的液晶分子的存在比例”。如果液晶分子在液晶盒内均匀地分布，则该“比例”可以说成“液晶盒的所有畴的面积中的、存在倾角β与光轴B不平行的液晶分子的畴的面积的比例”。
如果如图4所示，一个像素P分成四个畴D1～D4，在各畴D1～D4中存在相同数目的液晶分子，每隔90度朝着不同的方向，则成为
(式12)
系数A＝(液晶分子a1～a4中的液晶分子a1、a3所占的比例)＝0.5。
<测定顺序>
(1)测定顺序
基于流程图(图7)说明根据本发明的测定顺序。
首先，在图1或图2的测定装置中，设置作为样品的液晶盒23，用来自光源21的白色光进行预定范围的光斑照射，把入射角θ设定在某个值。优选地，从25度～80度的范围内选择入射角θ。
优选“25度～80度的范围”的理由是，一般地，偏振元件即使性能好，消光比也为10-5左右。因此。考虑到如果光强度透射率Tc＜10-4，则因背景噪声而测定变得困难。于是，在下述的表1的条件下，在预倾角＝1度时，作为光强度透射率Tc＜10-4以上的入射角θ，设定以25度为下限值。
另外，盒表面(玻璃)的反射率，在θ＝80度时，对于s偏振光为约54％，对于p偏振光为约23％(假定玻璃的折射率为1.5)，但由于一旦超过80度，反射率就急剧增加，所以作为入射角θ，设定以80度为上限值。如果入射角θ与该范围相比过大，则液晶盒23表面处的反射增大，透射光强度减小，测定的S/N变差。
例如，把入射角θ设定为45度。
另外，用单色镜25设定的波长优选从可见光波段中选定。
首先，对于液晶盒进行基准测定。向液晶盒照射光时，也有在液晶盒23表面处的反射，除了表面处的反射以外还有滤色基片的吸收等，所以如果求绝对的光透射率，则计算处理变得复杂。于是，(a)从图1、2的装置构成只除去检测元件24，求出光强度作为基准；或者(b)在图1、2的装置构成中使检测元件24成为平行尼科耳状态和交叉尼科耳状态，分别测定光强度，把两种光强度的合计值作为基准(步骤S0)。把该基准光强度记为R。
然后，测定交叉尼科耳状态下的光强度(步骤S1)。用基准光强度R除该测定值，把其商作为Tc，作为下面的计算的基础。
液晶盒的盒间隙d、异常光线的折射率ne和正常光线的折射率no是液晶盒的常数。入射角θ是如上所述地设定的值，系数A也是常数。把这些值代入式9～式11而求出β′，可以用式6～式8求出倾角β(步骤S2、S3)。具体而言，可以针对向VA液晶盒23照射从光源21出射的光的光斑范围内存在的液晶分子，求出倾角β的平均值。
(2)测定顺序2-分光测定-
液晶的异常光线的折射率ne和正常光线的折射率no是波长λ的函数。入射角θ、盒间隙d、系数A与波长无关，是已知的值。于是，把这些值代入式9～式11，以液晶分子的倾角β作为参数，求光强度透射率Tc与波长λ的关系Tc(λ，β)。
例如，作为液晶的异常光折射率ne、正常光折射率no，
表1
ne＝1.606，no＝1.502(λ＝450nm时) ne＝1.589，no＝1.493(λ＝550nm时) ne＝1.580，no＝1.488(λ＝650nm时)
使用表1的数据，入射角θ＝45度，盒间隙d＝3.2μm，系数A＝0.5，假定倾角β为1度、2度和3度，计算了波长λ与光强度透射率Tc的关系Tc(λ，β)，如图8所示的曲线那样。
如果用该曲线图，针对多个波长测定光强度透射率Tc，把该测定点画在该曲线图上，并进行拟合，则可以正确地求出倾角β。
以上，说明了本发明的实施方式，但本发明不限于上述实施方式。例如，在到此为止的说明中，液晶盒是在一个像素内分成多个畴，在各个畴中在不同方向上倾斜，但即使在不具有畴、在单一方向上倾斜的液晶盒的场合，通过使光轴在与倾斜方向不同的方向上倾斜，也可以进行同等的测定。此时，上述系数A的值为“1”。除此之外，在本发明的范围内可以进行各种变更。