系統整合

我們所提出的目標重點在於多功能且具成本效益量測系統的建構。因此，我們提出PSCAr 的架構，由於這個架構並不需要昂貴的設備，只需加裝線性移動平台及轉動平台就可以達到多功能的量測方法，符合我們所開出來的系統需求。然而以PSCAr 架構發展一套多功能且具成本效益之液晶單元光學參數量測系統，需多配置線性移動平台與轉動平台，在架構上做機動性的調整，利用改變些許的光學架構來量測不同的光學參數，達到多功能的需求。例如：在量測預傾角時，需透過旋轉控制平台轉動液晶單元並利用線性移動平台將 1/4 波板移除；而量測扭動角或是液晶單元間隙時需加入1/4 波板，然而在目前量測 V-T 曲線時，使用訊號產生器產生輸入的交流電壓並且由光偵測器接收光強度，透過示波器經由 IEEE-488 卡將量測得到的資料傳送至電腦中，並且記錄下來。其系統整體的架構圖如圖 4-1 所示：

圖4-1 PSCA 系統整合功能架構圖

預期量測的流程如圖4-2 所示分為三個步驟，因為考慮到量測流程的順暢，而V-T 曲線與預傾角的架構都是 PSA 的架構，所以必須先量測 V-T 曲線接下來是量測預傾角，最後是量測液晶單元的間隙與扭動角。首先量測V-T 曲線，其實驗流程如圖 4-2(a)，經由訊號產生器產生 60Hz 的交流電壓並調變電壓振幅輸入至液晶單元之中，每 0.1V 量測一次穿透率，在光機部份需要將起偏器固定在45˚及檢偏器固定在-45˚，之後即可開始透過電腦下達指令傳送量測的訊號經由介面卡 IEEE-488 控制訊號產生器輸入交流電壓，之後由光偵測器量測到的電壓值透過示波器經由 IEEE-488 卡，

將訊號傳送至電腦並記錄，紀錄完之後電腦送出訊號通知訊號產生器調變電壓振幅，如此重複執行從0V 增加到 5V 即可完成 V-T 曲線的量測實驗。

接下來是量測預傾角的實驗，其實驗流程如圖 4-2(b)，利用電控旋轉平台使其每步進 0.1˚量測一次電壓值，而在光機部分採用的是 PSA 的架構，此時起偏器與檢偏器固定的角度與量測V-T 曲線時的角度是相同的，

之後即可輸入訊號至旋轉控制平台，每轉動完 0.1˚後將光偵測器量測到的電壓值透過示波器經由 IEEE-488 卡記錄在電腦，紀錄完之後電腦透過 RS-232 送出訊號通知電動控制旋轉平台再繼續轉動，如此重複執行從-40˚

轉動到40˚即可完成預傾角的量測實驗。

最後，量測液晶單元的間隙與扭動角的實驗，其實驗流程如圖4-2(c)。

因為量測時需要加入 1/4 波板及轉動檢偏器的角度，所以在此利用線性移動平台及旋轉器來達到量測的需求。首先要將起偏器固定在0˚並將檢偏器分別固定在0˚, 45˚, 90˚這三個角度，轉動完檢偏器後將光偵測器量測到的電壓值透過示波器經由 IEEE-488 卡記錄在電腦，紀錄完之後電腦送出訊號通知旋轉控制平台再繼續轉動到下一個角度，此時檢偏器固定在0˚所量到的電壓值符號記為Ix，固定在45˚所量到的電壓值符號記為 I45˚，固定在 90˚所量到的電壓值符號記為 Iy，當量測完這三個角度之後，再利用線性移動平台加入1/4 波板且檢偏器固定在 45˚量得 I ，最後透過計算的流程，

將於第五章做詳細的介紹，即可得到液晶單元的間隙與扭動角。

(a) (b) 圖4-2 (a)預傾角量測流程圖 (b) 扭轉角與液晶間隙量測流程圖

由於，本論文題目為多功能且具成本效益之液晶顯示單元光電參數量測系統的發展。因此，目前整體的系統架構大多以現成之儀器拼裝起來，

未來將會以數位訊號處理器(DSP, digital signal processor)為基礎發展獨立的量測系統，並且在線性移動平台與電動控制旋轉平台方面將會自行製作以大幅減少成本達到具成本效益的功能。而使用DSP，為了使得量測系統

能夠自動化平行處理，在此藉由 DSP 來做系統操控的核心，利用 DSP 接收訊號，並經 A/D 轉換器轉成數位訊號，做即時的數值處理，同時 DSP 也可以經由D/A 轉換器來控制補償器旋轉之角度，或控制雷射電流穩定器來驅動光源。此方法可盡量避免掉人為所造成的量測誤差，且在量測過程中，所測得的資料值需要與建立好的模型資料作重複的比對，立即的做相關運算處理，才能獲得待測物的相關光學參數。並在量測過程中能即時將測得之資料與測量結果藉由RS-232 介面回傳給 PC 處理，並且顯示在人機介面（GUI）上。

圖4-3 V-T 曲線量測流程圖

第五章實驗結果與評估

5.1 系統校正

(a) 元件的穿透率實驗

因為每個光學元件的穿透率並不是完美，而且不同光學元件的穿透率也都不一定是定值，因此需要事先量測元件的穿透率來得知元件實際上的誤差值大小，這些數值將用於實驗系統校正。其實驗架構如圖5-1所示，其量測的結果如表4所示。

表4 穿透率量測結果表

光學元件未加元件量得的電壓值

加入元件量得的

電壓值穿透率

極化片(P) 7.22 V 5.97 V 82.8 % 極化片(A) 7.22 V 5.70 V 78.9 %

1/4波板(C) 7.22 6.6 V 91.5 %

圖5-1 量測穿透率實驗架構圖

(b) PA 架構，固定 θP，轉動θA

此實驗目的在於檢驗起偏器(P)跟檢偏器(A)是否為理想的線性極化片。其實驗架構如圖 5-2 所示，從實驗結果如圖 5-3 所示，可以發現當 P 與A 相差 90˚時，光偵測器還是會接收到少許的光，此時示波器顯示的電壓值為 0.2V，說明了 P 跟 A 並不是理想的線性極化片，因此使用時需要扣除掉這個誤差值。

圖5-2 量測穿透率實驗架構圖

圖5-3 偵測器量測到之角度與電壓關係圖

一開始先固定 P 的角度為 θP和波板(C)的角度為 θC，在如表5-2 所示的角度。轉動θA尋找光偵測器接收到電壓最小值時的角度，其實驗結果如表5-2 所示。此實驗目的在測試當 P 的穿透軸與 C 的快軸或慢軸擺在同一角度時，轉動A 來尋找光偵測器接收到的電壓為最小值及最大值，這些數值主要是表示檢驗安裝 1/4 波板時人為因素所造成的角度誤差。首先，實驗設定P 的穿透軸與 C 的快軸相同，而項目 2 是 P 的穿透軸與 C 的慢軸相同。這樣的設定可以使得線性極化光不會受到C 快軸或慢軸的影響造成相位延遲。所以，項目1 和 3，A 必須要轉動到與 P 相差 90˚的地方其電壓值才會電壓最小值。但是，從實驗結果看出P 與 A 的差並不是剛好 90˚，

因此，可以藉由P 跟 A 相差的角度來校正人為安裝的角度誤差。

圖5-4 量測穿透率實驗架構圖

表5 旋轉角度與量測電壓結果表

項目 θP θc θa 電壓值(V)

1 45˚ 45˚ -51˚ 86mV 2 -45˚ 45˚ 49˚ 120mV 3 30˚ 30˚ -64˚ 80mV (d) PCA 架構，固定θP跟θA，轉動θC

固定θP與θA分別在0˚跟 90˚，然後利用電動控制平台以每 3˚轉動 θC，當每轉動完一次之後記錄光偵測器量到的電壓值，其最後實驗結果如圖所示，此實驗目的在於測試轉動 1/4 波板所造成對量測上的影響並且可以檢驗出是否有安裝上的角度誤差，我們可以從實驗結果中發現，當 θC 從 0˚轉動至 45˚時發現光偵測器相對量測到的光強度越強，再由 45˚轉動至 90˚

時量測到的光強度則越來越弱，因此，可以說明 1/4 波板是隨著轉動角度再延遲輸入光的相位，因為在未加入1/4 波板時，當 θP與θA相差90˚此時光偵測器應該沒有接收到光強度可以參考實驗(b)，但再加入 1/4 波板之後其光強度隨著轉動角度在改變，在45˚的光強度最大因此耶說明了在實驗(c) 我們已經把手動安裝的角度誤差減至最小。實驗架構圖為圖 5-4，實驗結果如圖5-5 所示。

圖5-5 轉動1/4波板其電壓與轉動角度的關係圖

5.2 電壓-穿透率的實驗

液晶的光電特性量測與上述液晶單元光學參數相關之重要光電特性如下:

(1) 響應時間 (response time) (2) 對比度 (contrast ratio)

如圖 5-6(a)所示，使用 LCD Master 的模擬軟體模擬當不同的液晶間隙 (cell gap)時，其電壓與穿透率的曲線圖(V-T curve)將有不同的變化，實驗的架構如圖5-7 所示，將每個調變的電壓後所量測到的電壓值記錄，其實驗結果如圖 5-6(b)是實際量測液晶單元所繪出的曲線圖。從圖形中可以知道液晶單元於電壓控制下的穿透度，並且可以瞭解液晶轉向之物理與光電特性變化。從圖形可以知道在大約 2V 左右時穿透率將有顯著的下降，此時的電壓值可以叫做液晶電壓的閥值。

(a)

(b)

圖5-6 (a) 模擬不同液晶間隙的 V-T 曲線圖，(b)實驗量測液晶單元的 V-T 曲線圖 (Instec LC1-6.8)

圖5-7 預傾角量測系統架構圖

5.3 預傾角的實驗

在預傾角的實驗中，量測的流程如圖5-8所示。首先，將液晶單元轉動每一度角來量測電壓值，紀錄整個量測範圍並且繪製圖5-9。在圖中可以發現量測到的圖形會對稱於-0.9˚，將此角度和已知的液晶參數值代入式子 (3.1.4)，即可得到該液晶單元的預傾角度，從表6可以知道量測結果。因為在產品型錄上已經說明每個空的液晶單元上都有預傾角1˚-3˚，這個數值與我們推算的角度值有誤差，誤差的來源可能在於元件上的製作誤差。我們可以由實驗5.1中得知極化片本身有製作上的誤差以及在放置定位液晶單元時的人為手動誤差。

圖5-8 實驗步驟流程圖

圖5-9 預傾角量測系統實際量測入射角與穿透率圖

表6 系統量測與製作規格比較表

實驗樣本廠家提供的液晶單元其預傾角度

液晶單元預傾角量測值 TN-LC (E7) 1˚-3˚ 0.6˚

5.4 液晶單元的間隙與扭轉角實驗

量測的流程如圖5-10所示，當量測液晶單元的間隙與扭轉角時，必須加入相位延遲板。因此，必須利用線性移動平台將1/4波板加至量測系統的架構中，其實驗架構如圖5-11所示，使相位延遲板加入到光路中即可開始量測。並分別利用光偵測器量得Ix, Iy, I45˚, Iq45˚，之後代入式(5.4.1)-(5.4.4) 中，可以得到S0-S3的Stokes參數，接下來疊代不同間隙與扭轉角，利用模擬所算出來Stokes參數與實驗所求得的數值去做比較得到誤差最小值後，

在文檔中多功能且具成本效益之液晶顯示單元光學參數量測系統的發展 (頁 30-0)

第五章 實驗結果與評估

第五章實驗結果與評估