以原子力顯微鏡觀察微結構

三、點矩陣全像光柵製作

3.2 全像點陣列製作流程

3.3.3 以原子力顯微鏡觀察微結構

觀察光柵的細部結構需要採用 AFM(原子力顯微儀)，如圖 3.9 所示，探針選擇尖端圓弧半徑達到 1~3nm 的 DLC(類鑽碳)頭，掃描面積可以設定的最大範圍為 65*65m^，剛好可以完整涵蓋直徑 50m 的圓形干涉點。

圖 3.9 接觸式原子力顯微儀圖 3.10 NT-MDT 牌 NSG10 探針先以 10*10m^2 的掃描範圍來觀察光柵周期與深度，可以發現光柵周期約為 1.1m，深度為 0.4~0.6m;另可觀察到整體的光柵平坦度變化頗大

，應與滾輪式塗佈光阻及軟性塑膠基板的厚度均勻度有關，在製程上可以改成玻璃基板及旋轉塗佈光阻來加以改善。

圖 3.11 10*10m^2 光柵表面圖圖 3.12 光柵剖面深度變化

觀察 65*65m^2 的範圍，可以清楚看到三個光柵方向，交會區的暗顏

色顯示高度為相對低點，並且為二維的點狀結構，符合預期的設計要求。

仔細觀察四圓交接的白色區域，可以看到邊緣有疊影的感覺，如圖 3.13 的紅圈所示，那是雷射光干涉時，光點沒有完全重合於光軸，原因為聚焦物鏡的焦平面沒有剛好落在光阻的表面。要消除此種聚焦誤差，一般會使用雷射自動對焦，自動調整聚焦的平面，便可使二雷射光點重合。同時，在基板水平精密校準上，也是用雷射投射於基板上，並偵測雷射光反射的位置，如此可以校正基板的垂直度，使其與光軸垂直，以消除光學上的離軸像差。

第四章多向光柵陣列之光學量測與分析

前節的光學膜在確定結構上符合設計需求後，於本章將先運用專門量

測顯示器光學特性的 CONOSCOPE^TM及常用於量測穿透率的 U4100 光譜儀，來量測 LCF-1 及膽固醇液晶面板在貼 LCF-1 光學膜前後的反射率變化;之後再以模擬軟體計算繞射光強度，來與量測數據比對，再根據分析結果來找出更好的光柵形式。

4.1.0 光度學定義

探討一個物體在可見光區的幅射現象，稱為光度學;若以下圖為例，在點光源距離 S 夾角 0^o 垂直面上的單位立體角且單位面積上偵測到的照度值，常用的單位為(W/Ster-cm^2)，與夾角為^的方向有 cos^-3的關係。

圖 4.1 光輻射強度量測

其中若定義垂直方向光源強度為 J^o;根據朗伯特定理(Lambert＇s Law) 在距離 R(>>A^1/2)的環面積 2Rsin()*Rd上(cm^2)，所涵蓋的立體角除上 R²後變為 2sin()*dSter，則輻射於此環面所張之立體角的強度為

4.1.1 CONOSCOPE

^TM

(錐光偏振儀)簡介

量測光度的利器:CONOSCOPE^TM(錐光偏振儀)，常用於量測平面顯示器的光發散角度分佈，其特點為可以在一張極化座標圖中顯示待測物 360 度方位角及正負 80 度俯仰角範圍光錐的輝光分佈、色度的角變化;若是同時量測顯示器的白場與暗場，也可以將數值轉換為對比，從而得知對比圖。用於量測光擴散分佈圖時，可以量測穿透或反射的擴散角分佈，光源方面可以選擇發散光或準直光，並可以調整投射在樣品的光點大小從 0 到 2 mm。

其量測原理為將待測物發出之光，依出射光之方位與俯仰角，以鏡頭聚焦於第一成像面後，再以重放透鏡系統(Relay Lens System)，重新投射於經過致冷器降溫的 CCD 感測器。另外，若物體本身不發光，亦可外接投射用之照明光源，經由四方菱鏡入射於待測物表面，藉以量測反射光分佈。

圖 4.3 CONOSCOPE^TM(錐光偏振儀)

應用此儀器於量測本實驗的光控制薄膜的光學特性時，光學膜以光學膠貼於膽固醇液晶面板，如圖 4.4 所示，量測 Blue RCHLC(藍色反射式膽固

醇液晶)在貼上 LCF-1 前後之反射光方向的變化。

圖 4.4 量測藍色膽固醇液晶貼 LCF-1 光發散角分布

4.1.2 Hitachi U4100 分光光譜儀簡介

U4100 光譜儀可用於量測波長 185nm 至 3000nm 的穿透率(T%)或反射率 (R%)或吸收率(A%)，但較無法量測散射與繞射，若是僅用於比較相同條件下貼膜前後的變化，則仍為可行的量測工具；其分光光柵解析度達 1nm，入射角度有 5^o、12^o、30^o、45^o可以選擇。

2mm

U4100 用於量測之光學架構為雙光路比較法(圖 4.6)，以百分率表示量測光與參考光的強度比。集光器為單顆直徑 6.5cm 且內塗 BaSO⁴的積分球，

採光孔直徑為 1.5cm，以光遮斷器區分量測光與參考光，具有 PbS 近紅外光偵測器及 PMT 光電倍增管。適用於量測光滑平面的透反射或吸收率，若樣品具有光散射或繞射的特性時，因為光路頗長，光於量測過程中發散超過積分球的入射孔徑，積分球將無法完整收光，造成量測數值偏低。

圖 4.6 U4100 光路示意圖

使用 U4100 分光光譜儀的量測過程中，需注意光是否有超出積分球入光孔徑，由於不同的光路治具其光路長度並不相同，使用前需先計算量測治具的收光角，如下圖所示:

圖 4.7 光路治具相關尺寸

表 4.8 量測治具之收光角

以上二種光學儀器，前者對於複雜的光發散角度分佈有良好且快速的量測，後者對於簡單的光學元件異質介面間各種波長的穿透率與反射率有良好的解析能力，同時將二種儀器搭配使用，可以減少量測上的盲點。

4.2.1 藍色膽固醇液晶反射率量測

先用 CONOSCOPE^TM量測膽固醇液晶的光發散特性，圖 4.9 位於 30 度反射角的位置有一明顯的高反射，光點擴散的程度很低，表示反射式膽固醇液晶的可視區很窄，幾乎只有鏡面反射，當目視角度偏離反射光方位時，會感覺藍色反射光立刻變暗，若要做為顯示器的話，必須擴大反射光的角度分佈，來增加可視範圍。在光學膜選擇上，可以用表面擴散膜或光控制膜，

使光從主反射角分離出來，一方面來降低鏡面反射的熱點(Hot Spot);一方面則增加額外的視角。在反射機制上，膽固醇液晶對於大角度入射光的反射率會有主反射波長飄移現象，反射區隨著入射光角度變大而往短波長移動。因此若可運用光學膜將入射光角度變小，則膽固醇液晶的反射率也會提高。

30度反射是用 U4100 分光光譜儀量測可見光波長範圍(400~700nm)的反射率，圖 4.10 在 400~500nm 之間的數值明顯高出其他波段，峰值位於深藍色近紫外光區，

為人眼可以感知的範圍;在 500~700nm 的波段大約為 5%的廣波段反射，其來源為貼於膽固醇表面的 PMMA(n=1.495)鏡面反射。

Blue RCHLC 反射率

4.2.2 LCF-1 單體光學量測

在量測 LCF-1 的穿透率跟反射率之前，先來量測各個第 0 與±1 階繞射光點的強度比例關係，以利後續使用 U4100 光譜儀量測;用手持式照度計量測 0^o入射的繞射強度如圖 4.11 所示:

圖 4.11 LCF-1 穿透光波長 632.8nm 繞射強度分佈

將左邊 +1 階 7.3 + 6.6 +7.2 = 21.1 及右邊 -1 階 7.2 +7.8 + 7 = 22，

與中間的零階有 25.2 相比稍低，是因為光柵點的重疊使第一階繞射率下降且光柵點間的空白區屬於無繞射的一般光。此量測數據可以用於判斷第零階光與六個一階光的強度比，當量測出第零階的反射率後，即可按照圖 4.11 的比例預測第一階繞射光的反射率。一般使用 U4100 量測第一面的反射率時，正常狀態下是會連第二面一起量，然後再扣掉第二面的反射光;但是 LCF-1 的光學結構較為複雜，無法直接扣除，因此將背面塗黑，用意為吸收第二面的反射光，此時量測第一面的零階反射光可以大幅減低第二面反射的干擾，而得到較低而正確的數值。

圖 4.12 LCF-1 背面塗黑的反射光量測

背面不塗黑的反射率，稍微高出有塗黑的數值，其中頗重要的是不管塗黑與否，低入射角度的反射率對於波長的改變並不明顯，由此可以確定量到的是沒有繞射角度的第零階光。

圖 4.13 LCF-1 背面不塗黑的反射光量測

將 LCF-1 緊貼於積分球進光孔(圖 4.14)，量測穿透光的百分率，並與 PET 塑膠基板作比較，以 450nm 的數值來看，1.41% (R%)加上 86.88% (T%) 僅有 88.29%，即有 11.71%沒有進積分球。光損失的程度，隨著波長明顯變多，到了 650nm 穿透率已經掉到 79.18%，推測應與繞射現象有關，紅色的繞射角過大，會從參考光的入口射出，變成損耗。

圖 4.14 LCF-1 的透射光量測

U4100 量測具有發散特性的光學膜時，常常只能量測主軸光的強度，

對於發散光的部分有很大的誤差，但是若將人眼的瞳孔比擬為積分球的入射光孔，則人眼所見將類似於積分球量到光譜，因此有必要將各個面的穿透及反射率都量出來，以利後續的分析。綜合以上 LCF-1 光學膜的透反射量測數據，可以圖 4.13 簡單表示之:

圖 4.15 LCF-1 穿透與反射百分率

4.2.3 LCF-1 背面為藍色膽固醇液晶的繞射現象

藍色膽固醇液晶貼上 LCF-1 光柵膜之後，反射光呈現一個如下圖示的變化，一階繞射光環繞著零階光形成 30 度光錐。

圖 4.16 LCF-1+RCHLC 於實體空間之光發散圖

量測 LCF-1+RCHLC 的反射光角分布與強度，並將各個主要繞射光點的燭光數值分別乘上面積，得到光強度分佈概況;每當光通過光柵層都會繞射分光一次，因此貼於反射式顯示器時，會通過光柵層二次而出現許多繞射光點，光點數目依入射角度與方位而有許多變化，類似萬花筒，頗為複雜。

圖 4.17 RCHLC 貼 LCF-1 的光分佈圖 4.18 光點強度

4.3.1 LCF-1 背面為藍色膽固醇液晶的+1 階繞射強度

將圖 4.17 中間軸的光強度分佈擷取出來，並對視角作光量相關圖表(圖 4.19)，在 32 度的位置是光反射角的方向，有一個峰值為 25.5(Cd/m^2)，

與貼膜前的峰值相當，而且波的寬度並沒有明顯變寬，表示第零階光的擴散度很低，指向性與原 RCHLC 相去不遠。另值得注意的是 0 度位置的峰值為 1.16(Cd/m^2)，只是繞射強度頗低，大約為標準白的三分之一，效果不佳。當觀察者調整顯示器與外部的光源成 30 度角時，直視顯示器即可以觀察到第一階的繞射現象(圖 1.3)。然而若顯示器與光源的角度不是 30 度時，

還是不會有正向增亮的效果，這是單一光柵周期的結果，若需要 0 到 30 度都有繞射光，只需要增加光柵周期即可;同時，若是要擴大零階的主反射光的角度範圍，只需將光柵點的重疊區加大即可，因為光柵點重疊時會變成二維點陣列，但是繞射光的強度會變低。

30度反射

0 1 2 3 4 5

80 70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

視角

Cd/m^2

標準白

LCF-1+Blue_RCHLC Blue_RCHLC

圖 4.19 LCF-1 貼於 RCHLC

4.3.2 與 Ag(銀)高反射膜貼上 LCF-1 比較

高反射銀膜類似理想反射面，對於不同入射光的角度與波長都有相同的反射率 94%，因此圖 4.20 中的＂

--

Ag(R94%)_LCF-1_5deg＂一階繞射除上