第一章 緒論
光波具有許多有趣特性，包含光的波長、光的強度、光的同調性和光的 偏振性。光的偏振特性由丹麥科學家Bartholinus 在西元 1669 年發現方解石 晶體 (Calcite) 的雙折射特性；1690 年德國科學家 Huygens 發現光的偏振現 象；1852 年 Stokes 利用四個 Stokes polarization parameters 描述光的偏振態；
1940 年 Mueller 以 Stokes parameters 為基礎發展可用以表示偏振光與偏光元 件的數學矩陣，即Mueller matrix calculus；約在同時 Jones 發展出較簡易但 只能運算純偏振光的運算法，即Jones matrix calculus。至此，偏光理論趨於 成熟。
在眾多光學量測的技術中，若提到材料光學參數之量測，則首推橢圓術 (Ellipsometry) 。橢圓術的原理是利用一已知偏振態的偏振光，入射一待測 物質，經由量測出射光與原入射光間的偏振態變化，來反推此待測物之光學 特性 [1] 。應用橢圓術發展的儀器稱為橢圓儀 (Ellipsometer) ，而本論文則 利用穿透式橢圓偏光術 (Transmission Ellipsometry) 進行實驗量測，此法又 稱為偏光儀 (Polarimetry) 。偏光儀主要用來量測穿透性材料的線偏之吸收 特性 (Linear Dichroism) 、圓偏之吸收特性 (Circular Dichroism) 、線性雙 折射性質 (Linear Birefrigence) 和旋光特性 (Optical Rotation) 等。偏光儀中 的主要光學元件有：偏光片 (polarizer) 、補波片 (compensator) 、待測物 (sample) 和析光片 (analyzer) ，此系統中補波片現已有被光彈調變器 (Photoelastic Modulator, PEM) 逐漸取代的趨勢 [2] 。本實驗室發展以光彈 調變器做為相位調變的 P-PEM-S-A 型式的偏光儀系統，可以避免轉動偏光 元件造成的機械轉動寄生誤差 [3]，並用穿透方式成功地校正各元件的相對 偏振角 (azimuthal angle) [3] 和光彈調變器的相位調變振幅 [4] ，搭配數據 擷取卡 (DAQ card) 利用電腦發揮即時量測的優點，提升橢圓術量測的穩定 性和便利性。
液晶顯示器 (Liquid Crystal Display, LCD) 因具有輕、薄、低輻射、低
耗電…等優點，被廣泛應用在電子顯示產品，並已逐漸取代傳統 CRT 的趨 勢，隨著時代進步，大尺寸液晶顯示器的視角和對比度問題就顯得很重要。
TN 型 LCD 雖然發展較成熟並應用在顯示器上，但是其卻有低響應速度和 窄視角等問題，廣視角目前有 MVA (Multi-domain Vertical Alignment) [8] 和 IPS (In-Plane Switching) [9] 技術。在 1983 年，由 Philip J. Bos 提出稱之為 π-cell [10] 用在電壓控制的半波片，至後來在 1993 年由 Dr. Uchida 提出在 π-celll 加一雙光軸補償膜，可以讓液晶分子傾斜時在視角上的補償，此結構 稱之為光學補償彎曲式模態 (Optically compensated bend mode, OCB mode) [11] ，是現階段響應速度最快的向列型液晶模態，其具有液晶分子指向矢 的自我光學補償對稱特性，即有對稱視角和廣視角的優點。而快速響應能力 可以實踐色序法驅動和時域分割之立體顯示技術，OCB mode 被視為可以實 現此新穎顯示技術的液晶模態。不過OCB 液晶盒有對比度不足、暗態漏光 以及用在顯示灰階切換需偏壓在臨界電壓以上等缺點。 本論文以交通大學 顯示科技研究所陳皇銘老師實驗室提供的OCB 液晶盒，利用光彈調變式偏 光儀量測OCB 液晶盒研究其特性。
本論文主要闡述有以下三點：
第一部分 預傾角量測原理
在液晶盒邊界表面處其液晶分子導軸 (director) 與玻璃基板表面的夾 角即所謂的預傾角 (pretilt angle) ，預傾角的大小將會影響 OCB 液晶盒的 相位延遲 (phase retardation) 、臨界電壓 (critical voltage) 和響應時間 (response time) ，研究預傾角可以將顯示機制進一步達到最佳化，因此精確 地量測未知液晶盒的預傾角將很重要。 量測液晶盒預傾角一般常用的旋轉 晶體法 (crystal rotation method) [13]只針對水平排列液晶盒 (homogeneous cell) 來做量測，因為當入射角與預傾角平行時其穿透率為一極點，故可用 以量測預傾角。但 OCB 液晶排列結構在上下基板表面的分子長軸之相位差
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為 180 度 [14] ，直到 2009 年，Hsu [20] 利用此結構除了數據模擬外同時 也測出各入射角在特定預傾角的相位差。 我們利用同樣理論模擬出各入射 角在特定預傾角的相位差，再以光彈調變式偏光儀量測OCB 液晶盒各入射 角的相位延遲以擬合其預傾角。
第二部分 OCB 液晶盒相位延遲量測與預傾角量測
OCB 液晶盒相位延遲為與入射光之入射角、波長和液晶盒材料參數 (液 晶盒厚度、預傾角、液晶的尋常光與非尋常光的折射系數) 均有關。以光彈 調變式偏光儀量測OCB 液晶盒在各入射角下的相位延遲曲線，可與理論相 位延遲公式曲線做擬合，來推算此 OCB 液晶盒的預傾角大小及修正液晶盒 的厚度。最後引用 OCB 液晶盒材料彈性參數和配置預傾角大小對臨界電壓 影響的理論 [16,17] ，來驗證實驗量測預傾角的準確性。
第三部分 OCB 液晶盒加電壓的動態反應
OCB 液晶盒隨著外加電壓的變化而改變其液晶分子的排列，因而具有 不同的模態。為了加快OCB 液晶盒的反應速度，其亮暗操作時需加電壓以 維持 OCB 在彎曲態，故有耗電的缺點。但 OCB 液晶盒在彎曲態時若突然 移除偏壓，會有一短暫且具高亮度的穩態，稱之為亞穩態 (metastable state) [18] 或鬆弛彎曲態 (relaxed bend state) [19] ，如用來做亮暗態的切換，並不 需要保持電壓，故有省電的優點。 利用光彈調變式偏光儀量測 OCB 液晶 盒在不同驅動電壓下的偏光參數Ψ 和 Δ，並可由偏光參數 Ψ 和 Δ 反推 OCB 液晶盒的穿透率，量出液晶響應時間。最後，利用偏光參數 Ψ 和 Δ 可求得 液晶盒出射光的偏極態 – 史托克參數 (Stokes parameters) ，並將之繪於邦 加球 (Poincaré Sphere) 上，觀察 OCB 液晶盒不同模態的偏光狀態。由其史 托克參數可推算其亮度比，本文將就其彎曲態及亞穩態的亮度比來說明在亞 穩態操作的好處。