1.1 研究背景及目的：
近年來，政府極力推動「兩兆雙星」計畫，使得光電平面顯示器（flat panel display, FPD)技術儼然成為我國重點發展產業科技項目之一。2005 年台灣 光電產業產值達新台幣1 兆 1,289 億(約 356 億美元)，在全球光電產業 2,208 億美元中，佔有約 16%，比前一年增加 2%。該年台灣顯示器產業在全球 該類產品的市場佔有率約為31%，此項科技產值在台灣光電產業中，佔有 63%第一位之比例(約新台幣 7,141 億)，且預計逐年擴增，其中液晶顯示器 佔有絕大多數的比例(約新台幣 7,013 億)。液晶顯示器廣大的消費市場(亦 即，娛樂、商務、與教學等)，對於光電產業的發展描繪出廣闊美好的未來，
例如高畫質數位電視(high definition TV)、行動電話(mobile phone)、個人數 位助理(PDA)、視訊投影機(video projector)、以及電子書板等產品帶來無限 的商機[1]。
目前國內液晶平面顯示器產業技術，大多偏重生產與製程設備的研 發，對於檢測儀器方面，特別是昂貴的液晶顯示單元(liquid crystal cell, LC cell)光學參數(optical parameter or cell parameter)之量測儀器(約新台幣 500 萬至 800 萬)，大多依賴國外廠家，例如德國美最時公司(Melchers)、日本 Shintech、以及日本大塚電子(Otsuka electronics)等公司[2]-[4]。因此，為了 提升國內液晶平面顯示器產量技術與品質管制之需求，其自動化光學量測 系統技術之研究與發展是刻不容緩的。
多年來，許多學者針對向列型液晶光學參數量測技術，做了相當多 的努力且持續不斷地進行技術改良。在預傾角量測方面，1993 年 Han 等 人[5]所提的晶體轉動法(crystal rotation method)在0o −20o與70o −90o的小 角度量測具有簡單且準確之優點。2001 年 Nishioka 與 Kurata[6]使用相位 延遲的方法，除了可以進行預傾角量測的量測之外，尚可以量測液晶單
元間隙，很可惜此兩人的作法比Han 等人的預傾角量測方法增加了相當 大系統架構的複雜度。此外，Nishioka 與 Kurata 的方法與其他多數的液 晶單元間隙量測方法，缺少了伴隨的扭轉角之量測。在 2003 年，Gwag 等人提出了進行較大範圍(包含20o −70o)的預傾角量測方法[7]，對於預傾 角的實際量測需求，提供相當的助益。
在液晶單元間隙(或相位延遲)量測方面，大致可區分為相位補償法 (phase compensation method)[8]、使用相位延遲板(wave plate)或線性極化 器(polarizer)轉動的方式[9]-[10]、以及光譜掃描法[11]。2005 年 Hwang[12]
為 了 提 高 這 些 方 法 的 準 確 度 ， 使 用 了 相 位 靈 敏 技 術(phase.sensitive technique)，來進行單元間隙的量測。很可惜，該方法僅限於向列型液晶，
而尚未能適用於扭轉向列型液晶(TN-LC)的量測。此外，該方法尚需要 Zeeman 雷射系統，徒增系統成本。2005 年，Lan 等人[13]使用可調波長 的半導體雷射來量測液晶單元間隙，而不必使用氣體雷射(例如，氦氖雷 射)。儘管如此，這些方法只能在同一個光學系統架構下，量測一項光學 參數，即液晶單元間隙或相位延遲。
Akahane 等人[14]與 Zhou 等人[15]分別於 1996 年與 1997 年以極化量 測法(polarimetry)其單一光學架構同時進行液晶單元間隙與扭轉角的量 測。為了提高這些方法的準確度，2005 年 Tsai 等人[16]利用光學式外差 干涉橢圓偏光術的方式來進行這兩項光學參數的量測。然而該方法使用 兩個聲光調變器(acousto-optic modulator)，提高系統的成本與複雜度。
另一方面，在相當高的經濟效益驅使之下，近年來國外大廠(如表 1 所示)紛紛推出多功能且高價格的液晶光學參數量測系統，例如美最時公 司CAT 系列可同時量測液晶單元間隙、相位延遲、與扭動角等三項光學 參數。因此，為加速發展國內液晶平面顯示單元光學參數量測系統技術 是非常重要的。
表1 各廠家不同機型的主要量測功能表
廠家 型號 量測功能
1.液晶單元間隙 TBA 系列
2.預傾角
1.液晶單元間隙 2.相位延遲 德國美最時
CAT 系列
3.扭動角 1.預傾角 Shintech General purpose
polarimeter 2.相位延遲
1.電壓-穿透率曲線(V-T curve) 2.對比度
大塚電子 LCD 系列
3.反應時間 1.液晶單元間隙 2.預傾角
Axometrics AxoScan
3.扭轉角
本論文之目標在於多功能且具成本效益之液晶平面顯示單元光學參 數量測系統的發展。上述我們已經進行過去作法之系統架構的分析與性能 評估，然後提出以Zhou[15]的系統架構為基礎，此系統是以起偏器-液晶單 元-補償器-檢偏器(PSCA)為架構使用極化量測法來達到量測樣本的間隙與 扭動角，再透過晶體旋轉法量測其預傾角，最後輸入不同振幅的交流電壓 來量測電壓與穿透率曲線(voltage-transmittance (V-T) curve)等光電特性。因 此，簡單且相對於其他方法較為便宜並且能達成多功能的量測系統是這篇 論文的重點。針對此系統，我們提出學理、模擬、實驗的方法，來說明可 行性，以期能對液晶顯示器光學參數量測技術之學術研究與產業發展有所 貢獻。
1.2 論文架構
本論文主要先探討並整合過去作法提出以 PSCA 為系統架構，利用極 化量測法，來量測液晶單元厚度與其扭轉角、再利用晶體旋轉法來量測預 傾角，達到多功能的量測。第二章主要是在描述液晶顯示基本原理與光電 特性及液晶單元的光學參數（液晶單元間隙、扭轉角及預傾角）。第三章 在說明液晶單元光學參數量測方法研究，內容包含量測系統的設計與量測 方法（晶體旋轉法、Stokes 參數量測法）。第四章說明系統整合，第五章 說明實驗部分，敘述預傾角的實驗與模擬、液晶單元的間隙與扭轉角實驗 及電壓與穿透率的實驗，並分析誤差的來源及效能上的評估。第六章為討 論與未來工作。