[发明专利]用于测量光学各向异性参数的方法和装置

说明书

有关申请

本申请要求2014年10月2日提交的编号为14/504,426的美国申请和2013年10月4日提交的编号为61/887,163的美国临时申请的优先权，这两个申请通过引用结合于本文中。

技术领域

本发明一般地涉及用于光学各向异性测量的方法和装置。更特别地，本发明涉及用于测量光学各向异性的聚酰亚胺（PI）膜或其他聚合物薄膜以便取得该膜的各向异性量值和各向异性取向的方法和装置。

背景技术

在液晶设备（包括液晶显示器（LCD））的生产中，膜（诸如聚酰亚胺膜）被应用于LCD玻璃。然后通过对该膜进行机械地摩擦或通过将该膜暴露于偏振光的相对更新的技术来使该膜成为各向异性的。一旦膜已经成为各向异性，液晶（LC）分子将倾向于使它们自己与该膜的各向异性轴对准。进一步地，该膜各向异性的量值与LCD分子和该膜之间的锚定能有关，以及在经摩擦的PI的情况下规定了LC分子的预倾斜角度。液晶设备中光学各向异性膜的各向异性量值和取向是确定液晶设备性能的主要因素，并且制造商需要用于测量这些参数的手段。

光学各向异性典型地是膜的寻常折射率和非寻常折射率之间的差Δn=n_o–n_e。由于这种各向异性，膜将展示出相位推迟或延迟的偏振属性。对于穿过各向异性材料的光学射束，该射束所经历的相位延迟是δ=Δn×t，其中t是材料的厚度。

光学各向异性也可以是膜的寻常消光系数和非寻常消光系数之间或折射率的虚部之间的差Δk=k_o–k_e。在这种情况下，各向异性将展示出二向色性或二向衰减（diattenuation）的偏振属性，其中光学射束的透射率或反射率根据光学射束的偏振状态而变化。

在现代液晶设备中，PI膜厚度倾向于约为50nm–100nm。对于经摩擦的PI，各向异性倾向于大约为Δn≈0.005。并且因此这个经摩擦的PI膜的延迟将大约为0.25nm–0.5nm。对于某些类型的光对准的（photo-aligned）PI，各向异性是相当大的，也许是Δn≈0.05。在这种情况下，将预期的各向异性膜的最大延迟是大约5nm。

在没有合适装备的情况下，针对具有0.25nm–5nm范围内的延迟的样本精确测量延迟量值和延迟取向在常规上是困难的，然而若干商业可得的测量系统（例如来自阿拉巴马州（AL）亨茨维尔市（Huntsville）的Axometrics有限公司的AxoScan?）可以进行具有足够精度的这种测量。但进行这种测量具有的问题是，由于在制造期间所导致的玻璃内小的应力，PI层被应用到其上的玻璃基板也将展示出延迟。尽管玻璃的延迟是非常小的，但各向异性PI层的延迟也是如此。而且难以将测量结果中的延迟的这两个来源分离。同样地，仅测量样本在透射中的延迟的简单的测量技术尚未被证明对于这种应用是胜任的。

椭圆测量术是用于基于测量当光从样本表面反射时膜怎样改变光的偏振状态来测量薄膜的厚度和折射率的光学技术。广义的椭圆测量术（GE）是允许测试各向异性样本的标准椭圆测量术的延伸。GE方法是精确且精密的。然而，因为这个方法是耗时的，在生产环境中使用GE测量不总是实用的。GE方法的另外的难点是，其随着测量样本复杂度增加而变得越来越困难。如果样本具有许多层薄膜，可能需要额外的波长。或者如果将样本的膜以小于测量光学射束直径的特征来被图案化，则GE技术可能完全失效。由于这些难点，GE方法可能并不适合于PI被沉积在滤色器（CF）玻璃上或沉积在现代高分辨率LCD显示器的薄膜晶体管（TFT）玻璃上的情况，因此将GE技术限制于测试玻璃上PI的测量。

已经做出的用来特征化各向异性PI膜的其他努力在下文所讨论的文献中被描述。这些技术主要聚焦于经摩擦的PI膜，因为经摩擦的PI膜在液晶显示器行业中已经使用了数十年。然而，这些方法同样应该也可适用于测量光对准PI膜。下文描述了这些方法。