專利名稱：聚合物薄膜等的雙折射測量的制作方法
技術領域：
本申請涉及諸如聚合物薄膜的光學材料的雙折射精確測量。
背景技術：
聚合物薄膜由利用多種處理方法的任何一種，諸如擠出成膜法(Film Extrusion)制成薄片的熱塑性聚合物形成。聚合物薄膜有許多應用，諸如包裝、磁性介質涂層等。聚合物可以在薄膜形成期間被“定向”。一種技術生產出通常被稱作“拉伸的聚合物薄膜”的產品，由此長聚合物分子在一個方向上基本上對準。拉伸該薄膜提高了其物理特性，諸如其硬度和空間穩(wěn)定性。拉伸同樣提高了薄膜的光學特性和防潮效果。存在定向聚合物材料的其它方法。例如，可采用光致對準處理，由此由利用紫外光照射聚合物薄膜導致聚合物的對準。
聚合物薄膜具有在下面更詳細描述的雙折射特性。簡而言之，薄膜的雙折射特性的測量可產生對薄膜的物理、光學或其它特性有用的了解。例如，所測得的聚合物薄膜的雙折射等級能夠容易地與薄膜具有的聚合物定向或拉伸的范圍相關聯(lián)，并且因此與薄膜的期望的物理特性相關聯(lián)。
雙折射是指不同的線性偏振光以不同的速度通過諸如聚合物薄膜的透光元件。延遲表示沿著通過薄膜的光束路徑作用的雙折射的綜合效應。如果入射光束線性偏振，偏振光的兩個正交分量將會以一相位差射出樣品，該相位差被稱為延遲。延遲的基本單位為長度，諸如納米(nm)。然而，經常方便地以相位角為單位(波、弧度或度數(shù))表示延遲，其正比于延遲(nm)除以光波長(nm)。
時常，術語“雙折射”與術語“延遲”交換使用，該術語“雙折射”與術語“延遲”帶有相同的意思。因此，除非另有說明，這些術語在下面也交換使用。
上述的兩個正交偏振分量平行于兩個正交軸，該兩個正交軸是聚合物薄膜樣品的被測部分的特性，且分別被稱作“快軸”和“慢軸”?？燧S是與通過樣品的偏振光的較快移動分量對準的聚合物薄膜的軸。因此，沿著給定的光路對聚合物薄膜樣品的延遲的完整描述需要指定樣品的延遲大小和快軸(或慢軸)的相對的角度定向。定向的(拉伸的)聚合物薄膜將具有相應于聚合物的定向方向且因而相應于上述的“快”或“慢”軸的軸。此事實可被用來使拉伸的聚合物薄膜的延遲測量簡單化，或者快速確定這種薄膜中存在的非常高等級的延遲。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及用于精確測量聚合物薄膜的雙折射特性的系統(tǒng)和方法，該聚合物薄膜包括拉伸的聚合物薄膜。諸如圓盤形的其它聚合物具有使得聚合物將會表現(xiàn)雙折射特性的構造，其也可受在此所述的測量技術檢驗，并且因此，下面所述的聚合物并不意欲局限于結合本發(fā)明的優(yōu)選實施例所述的長的、棒狀聚合物。
該方法利用具有已知的系統(tǒng)參考角度的光學組件的裝置。在一個實施例中，聚合物樣品的快軸角度在樣品中具有預定定向。該系統(tǒng)被操作以將聚合物樣品的快軸方向對準系統(tǒng)的參考角度，且在樣品上的一位置處測量雙折射等級。
作為本發(fā)明的一個方面，描述了用于精確地確定在非常寬的范圍且高達數(shù)萬納米的雙折射等級的實施例和方法。
隨著研究此說明書的下面部分和附圖，本發(fā)明的其它優(yōu)點和特征將變得清楚。


圖1是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的圖示，示出了用于測量聚合物薄膜的雙折射的系統(tǒng)的光學組件的優(yōu)選布置。
圖2是圖1中所示的系統(tǒng)的處理組件的框圖。
圖3是本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例的圖示，示出了該系統(tǒng)的光學組件的優(yōu)選布置。
圖4是該系統(tǒng)的替代的處理組件的框圖。
圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的一個方面對于在兩個不同波長處測量的樣品的延遲曲線。
圖6是表示對于其快軸角度具有已知定向的光學樣品的實際的與所測得的延遲值的圖表。
圖7是表示在計算拉伸的聚合物薄膜的高等級雙折射中使用的變量“m”的值的圖表。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例利用包括兩個光彈性調制器(PEM)的光學裝置來測量聚合物薄膜中的線性雙折射。此后將此裝置稱為雙PEM裝置。本實施例測定聚合物薄膜的雙折射特性(大小和角定向二者)。本實施例對以非常高的靈敏性測量低等級線性雙折射尤為有用。
注意這里所描述的系統(tǒng)并不局限于測量聚合物薄膜的雙折射特性。本領域普通技術人員將理解，本系統(tǒng)同樣將允許測量包括諸如石英、方解石、云母和蘭寶石的單晶材料的多種光學材料的任何一種的這種特性。雙折射可由外力引起或是材料固有的。
參考圖1，本實施例的雙PEM裝置20一般包括三個模塊。上模塊包括光源22、以45度定向的起偏器24和以0度定向的PEM 26。
下模塊包括第二PEM 28，該第二PEM 28的調制頻率被設定為不同于第一PEM 26的調制頻率。第二PEM 28以45度定向。下模塊還包括以0度定向的檢偏器30和檢測器32。
中間模塊包括樣品支架34，其可以是用于在上和下模塊之間的位置支撐聚合物薄膜，以使得來自該裝置的光源22的光束27通過如下面所述的薄膜樣品的多種機械結構的任何一種。樣品支架34可以是安裝成計算機控制的、可移動的X-Y臺的類型，以允許聚合物薄膜樣品36的掃描。樣品的厚度在圖1中被非?？浯蟮厥境觥?br> 替代地，樣品支架34可以是聚合物薄膜生產過程的部件或者接近于聚合物薄膜生產過程的部件。例如，支架34可以是支撐薄膜使薄膜移動通過光束27的路徑的固定架、輥式拉邊器或傳送帶。支架34可具有支撐寬片薄膜且將寬片薄膜暴露給光束的寬度。上述的裝置20的上模塊和下模塊能夠被支撐為在薄膜的寬度上同步地、往復地移動，其中薄膜在模塊之間行進?？稍O想在上模塊和下模塊的各自掃描之后薄膜能夠行進，或者薄膜可被連續(xù)移動同時光束也被移動。
同樣可設想裝置20可被構造成提供多個光束27，以便能夠在移動的薄膜的寬度上在間隔分離的位置處同時進行若干個雙折射測量。此安排將會提高收集雙折射數(shù)據(jù)的速度。同樣可設想可支持引導眾多光束的組件(以及相關的檢測組件)，用于跨過移動的或固定的薄膜往復移動。
此實施例(圖1和2)將波長為632.8nm的偏振He-Ne激光器用作光源22。起偏器24和檢偏器30均是格蘭-湯普森型起偏器。硅光敏二極管檢測器32用于此實施例。PEM 26、28二者均具有棒狀的熔凝石英光學元件，該光學元件由所附的石英壓電變換器驅動。兩個PEM26、28分別具有大約50和60KHz的額定共振頻率。
參考圖2，檢測器32處產生的電信號包含“AC”和“DC”信號并且經不同的處理。將AC信號應用于兩個鎖定放大器40、42。每個鎖定放大器在期望的調制頻率下被參考，該期望的調制頻率是兩個PEM的基本調制頻率的組合，且每個鎖定放大器在所述期望的調制頻率下解調由檢測器32提供的信號。
在來自檢測器32的信號通過模擬-數(shù)字轉換器44和低通電子濾波器46之后記錄DC信號。DC信號表示到達檢測器32的平均光強度。
作為聚合物薄膜樣品36的雙折射特性的測量的基礎的理論分析是基于適用于任何延遲-誘導光學元件的Mueller矩陣分析，并且將在下面討論。
為清楚起見，用于圖1中的三個光學組件的Mueller矩陣在下面示出。光學布置中的薄膜樣品36具有以下形式，其中延遲大小為δ，且快軸角度為ρ10000cos(4ρ)sin2(δ2)+cos2(δ2)sin(4ρ)sin2(δ2)-sin(2ρ)sinδ0sin(4ρ)sin2(δ2)-(cos(4ρ)sin2(δ2))+cos2(δ2)cos(2ρ)sinδ0sin(2ρ)sinδ-cos(2ρ)sinδcosδ]]>其延遲軸以0°和45°定向的兩個PEM 26、28的Mueller矩陣分別是1000010000cos(δ1)sin(δ1)00-sin(δ1)cos(δ1)]]>10000cos(δ2)0-sin(δ2)00100sin(δ2)0cos(δ2)]]>其中δ1和δ1是第一PEM 26和第二PEM 28的時變相位延遲(δ1＝δ1osinω1t且δ2＝δ2osinω2t；其中ω1和ω2是PEM的調制頻率；δ1o和δ2o是兩個PEM各自的延遲大小)。
利用圖1中所示的裝置中的光學組件的Mueller矩陣，到達檢測器32的光強度如下獲得KI02{1+cos(δ1)cos(δ2)sin(4ρ)sin2(δ2)+sin(δ1)sin(δ2)cosδ]]>+cos(δ1)sin(δ2)cos(2ρ)sinδ+sin(δ1)cos(δ2)sin(2ρ)sinδ}]]>方程式(1)其中Io是起偏器24之后的光強度，且K是表示起偏器之后的光學系統(tǒng)的透射效率的常數(shù)。
方程式1中的sinδ1和cosδ1的函數(shù)能夠用第一種Bessel函數(shù)展開sinδ1=sin(δ10sin(ω1t))=Σ2k+12J2k+1(δ10)sin((2k+1)ω1t)]]>方程式(2)其中k是“0”或者正整數(shù)，且J2k+1是Bessel函數(shù)的第2k+1階；且cosδ1=cos(δ10sin(ω1t))=J0(δ10)Σ2k2J2k(δ10)cos((2k)ω1t)]]>方程式(3)其中J0是Bessel函數(shù)的第0階，且J2k是Bessel函數(shù)的第2k階。可對sinδ2和cosδ2進行類似地展開。
將展開的sinδ1、cosδ1、sinδ2和cosδ2代入方程式(1)，并且僅取Bessel函數(shù)的第二階，我們會得到下面的部分P1=1+[J0(δ10)+2J2(δ10)cos(2ω1t)]·[J0(δ20)+2J2(δ20)cos(2ω2t)]sin(4ρ)sin2(δ2)]]>方程式(4.1)P2＝2J1(δ10)sin(ω1t)·2J1(δ20)sin(ω2t)·cosδ方程式(4.2)
=J0(δ10)·2J1(δ20)sin(ω2t)cos(2ρ)sinδ+2J2(δ10)cos(2ω1t)·2J1(δ20)sin(ω2t)cos(2ρ)sinδ]]>方程式(4.3) =J0(δ20)·2J1(δ10)sin(ω1t)·sin(2ρ)sinδ+2J2(δ20)cos(2ω2t)·2J1(δ10)sin(ω1t)sin(2ρ)sinδ]]>方程式(4.4)方程式(4.1)包含AC和DC兩項。DC項可用來檢測到達檢測器的平均光強度。方程式(4.2)對確定高達π(即半波長或λ/2)的線性延遲是有用的。方程式(4.3)和(4.4)能夠用來確定低等級的線性延遲，諸如低于π/2(四分之一波長或λ/4)。為了確定非常小的線性延遲，與方程式(4.2)相比，方程式(4.3)和(4.4)通過利用sin-1函數(shù)代替cos-1函數(shù)給出更精確的結果。
DC信號可從項(1)得到VDC=KI02{1+J0(δ10)·J0(δ20)·sin(4ρ)sin2(δ2)}]]>方程式(5)其中將作為PEM的調制頻率的函數(shù)變化的任意AC項省略，因為其對DC信號并沒有凈貢獻。低通電子濾波器46被用來消除這種振蕩。
在小角近似(即sinX＝X且sin2X＝0，其中X很小)范圍內，VDC與樣品延遲無關，且因此表示到達檢測器的平均光強度。當延遲等級大于30nm的樣品被測量時，如方程式(5)中所示的VDC通常將受到延遲大小和角度的影響。因此，所測量的DC信號將不會是平均光強度的真實表示。在這種情況下，進行下去的最簡單的方法是將J0(δ10)和J0(δ20)均設為“0”。在更下面會聯(lián)系如圖3中所示的另一個優(yōu)選實施例來討論此方法。
對于本實施例(圖1和2)的低等級延遲測量，如上面的方程式(4.1)-(4.4)中所示，測量在兩個PEM 26、28的不同諧波下調制的不同信號。來自兩個PEM的調制信號可利用所述的鎖定放大器40、42或常規(guī)的數(shù)字波形取樣和分析方法測得。
當使用鎖定放大器時，必須產生兩個PEM 26、28的適當?shù)膮⒖夹盘?。例如，從方程?4.2)確定cosδ需要(ω1+ω2)的參考信號，而從方程式(4.3)和(4.4)的后面的項確定cos(2ρ)sinδ和sin(2ρ)sinδ需要(2ω1+ω2)和(ω1+2ω2)的參考信號。
參考圖4，將上面提到的參考信號(ω1+ω2)、(2ω1+ω2)和(ω1+2ω2)應用于硬件觸發(fā)器43，該硬件觸發(fā)器43控制數(shù)據(jù)獲取設備45的取樣。該設備45在其模擬輸入端接收由檢測器32產生的信號。數(shù)據(jù)獲取設備45包括模擬-數(shù)字轉換組件，該模擬-數(shù)字轉換組件在其輸出端將在檢測器32處產生的信號的數(shù)字化波形傳送至計算機48。該波形表示兩個PEM的調制諧波的組合結果。然后數(shù)字化波形在上面提到的項下通過傅立葉變換進行分析。為了測量高達光源的半波長的線性雙折射，需要如方程式(4.2)-(4.4)中出現(xiàn)的相同的三個項(2ω1+ω2)和(ω1+2ω2)項V2ω1+ω2=KI022J2(δ10)·2J1(δ20)cos(2ρ)sinδ]]>方程式(5.1)V2ω2+ω1=KI022J2(δ20)·2J1(δ10)sin(2ρ)sinδ]]>方程式(5.2)(ω1+ω2)項Vω1+ω2=KI022J1(δ10)·2J1(δ20)·cosδ]]>方程式(5.3)在此實施例中，為了記錄DC信號，將PEM的延遲幅度選取為δ10＝δ20＝2.405弧度(0.3828波)，其與ρ和δ無關。DC信號為
VDC=KI02]]>方程式(6)為了消除由于光源波動和來自樣品或裝置的其它光學組件的吸收、反射和散射對光強度變化的影響，利用AC信號與DC信號之比。對于(2ω1+ω2)、(ω1+2ω2)和(ω1+ω2)項，AC信號與DC信號之比在方程式(7.1)-(7.3)中表示出V2ω1+ω2VDC=2J2(δ10)·2J1(δ20)cos(2ρ)sinδ]]>方程式(7.1)V2ω2+ω1VDC=2J2(δ20)·2J1(δ10)sin(2ρ)sinδ]]>方程式(7.2)Vω1+ω2VDC=2J1(δ10)·2J1(δ20)cosδ]]>方程式(7.3)。
將R1、R2和R3定義為修正了的比率，方程式(7.1)-(7.3)變?yōu)閂2ω1+ω2VDC12J2(δ10)·2J1(δ20)=R1=cos(2ρ)sinδ]]>方程式(8.1)V2ω2+ω1VDC12J2(δ20)·2J1(δ10)=R2=sin(2ρ)sinδ]]>方程式(8.2)Vω1+ω2VDC12J1(δ10)·2J1(δ20)=R3=cosδ]]>方程式(8.3)。
最后，通過將R1和R2除以R3，且重新整理方程式(8.1)-(8.3)，樣品的快軸的延遲大小和角度表示為ρ=12tan-1[R2R1]]]>或ρ=12ctg-1[R1R2]]]>方程式(9.1)
δ=tan-1((R1R3)2+(R2R3)2)]]>或δ＝cos-1R3方程式(9.2)其中δ為標量，用弧度表示。當在特定波長(即632.8nm)下測量時，δ可被轉化為用“nm”表示的延遲(δnm＝δrad·632.8/(2π))。
利用原始數(shù)據(jù)的符號信息，方程式(9.1)和(9.2)導致明確確定0-π(半波長)范圍內線性延遲的快軸角度和大小。
當實際的延遲在π和2π之間時，本實施例將記錄0和π之間的延遲值和改變了90°的快軸角度。這導致對于π和2π之間的延遲的明顯嚴重的錯誤。然而，由于Mueller矩陣對于(δ，ρ)和(λ-δ，90°+ρ)是完全相同的，因此，此表面上大的錯誤對于可通過Mueller矩陣模擬的光學系統(tǒng)并沒有實際的影響。
調制頻率為(2ω1+ω2)和(ω1+2ω2)的信號取決于樣品快軸的定向(參見方程式(5))，且最終延遲大小與快軸角度無關(參見方程式(9))。為了實現(xiàn)延遲大小的角無關性，重要的是精確定向系統(tǒng)中的所有光學組件(以及下面所述的實施例的光學組件)。當這些光學組件未對準時，延遲大小示出了特定模式的角依賴性。第一PEM的光軸被用作系統(tǒng)的參考角度(“0°”)。系統(tǒng)中的所有其它光學組件根據(jù)此參考角度直接或間接地精確對準。
當考察的樣品為拉伸的聚合物薄膜時，建立薄膜的快軸(或慢軸)的方向，因為拉伸的薄膜的定向相應于快軸或慢軸。因此，快軸所測量的角度將會是0度或90度。給定此信息，用于拉伸的聚合物薄膜的雙折射測量系統(tǒng)的當前實施例可被擴展以確定在零和較高等級之間的延遲等級，其中所述較高等級相應于系統(tǒng)的光源的全波長。
當考慮用圖表表示出Soleil-Babinet補償器的延遲值50和快軸角度52的圖6時，能夠證明這個確定的有效性，該Soleil-Babinet補償器被用作樣品且被操作以使延遲值從0到光源(633nm激光器)的全波長(λ)進行改變。從圖6中能夠看出所測得的延遲值(相應于圖表左邊的縱軸)在圖表的右側從半波長減小至零，其中在該圖表的右側實際延遲值(橫軸)從半波長(λ/2)變?yōu)橐粋€全波長(λ)。同樣注意到快軸角度(考慮到圖表最右邊的縱軸)在實際延遲值相應于半波長等級的位置處改變90度。
如上所提到的，用于拉伸的聚合物薄膜的雙折射測量系統(tǒng)的當前實施例能夠被擴展以確定在零和較高等級之間的延遲等級，其中所述較高等級相應于系統(tǒng)的光源的全波長。為此目的，拉伸的聚合物薄膜樣品以其已知的快軸方向被物理地定向，其中所述快軸方向與光學裝置的0°或90°參考角度有意對準。對準無需精確，但是優(yōu)選地，快軸應在系統(tǒng)參考角度的+/-45°范圍內對準(盡管由于計算目的系統(tǒng)會將此范圍內的軸視為對準的)。因此顯然該系統(tǒng)對于樣品對準誤差具有非常高的容許限度。
隨著拉伸的聚合物薄膜的快軸被如此對準，該系統(tǒng)將因此具有作為輸入?yún)?shù)的已知值ρ。在一個波長上(通常將會與圖6的圖表中所示的相匹配)給定拉伸的薄膜的實際的與所測得的延遲特性，在δ處和在(λ-δ)(橫軸)處延遲的測量值(縱軸)相同。因此，相應于已知的、先前的輸入軸對準位置ρ或(90°+ρ)的延遲等級δ或(λ-δ)，被系統(tǒng)保持為實際延遲等級。
為了精確測量低等級線性雙折射，重要的是即使使用高質量的光學組件時也修正光學裝置本身現(xiàn)存的殘余線性雙折射(“儀器偏差”)。
儀器偏差主要是由于PEM中的小的殘余線性雙折射(0.1nm量級)。為了修正儀器偏差，首先得到沒有任何樣品的情況下的幾個測量的平均值。當測量樣品時，儀器偏差用軟件來修正。這種修正僅應該在利用方程式(8)計算出比率時進行，而并非對如方程式(9)中所確定的δ和ρ的最終結果進行。該儀器偏差應該為常數(shù)(在儀器的噪聲等級范圍內)，除非光學組件的對準或諸如溫度等實驗室條件有所改變。應該慎重地用一些規(guī)則性來核對儀器偏差。
當延遲的Mueller矩陣置換時，此偏差修正在小延遲的限制范圍內工作。實際上，這可能是需要偏差修正的僅有的情況。由于PEM中殘余延遲如此小(0.1nm量級)，所以當測量高于50nm的延遲時可能不需要偏差修正。
下一個所描述的實施例適合于精確且快速地測量具有已知的快軸角度的樣品的高等級延遲，該樣品諸如拉伸的聚合物薄膜，圖3中示出了用于該實施例的裝置。參考圖3，用于此實施例的光學裝置120在許多方面與結合圖1描述的光學裝置相匹配。裝置120包括用于引導光束127通過系統(tǒng)的光源122。光源的細節(jié)在下面被描述。裝置120可用向下傳播的光束127垂直定向(圖1)。在此為了容易說明各種光學組件的相對位置關系的目的而描述裝置的垂直定向，否則裝置的定向并不重要。
裝置120還包括以45度定向的起偏器124，以及第一PEM 126，該第一PEM 126的光軸在0度。第二PEM 128被設定為(與第一PEM)不同的調制頻率，且以45度定向，并且以0度定向的檢偏器130(沿光束127的路徑)隨在第二PEM 128之后。
在此實施例中，光源提供光束127，該光束127是來自各個光源的兩個光束的組合。具體來說，光源122包括諸如He-Ne激光器的第一激光器121，其在例如543.5nm的波長λ1處工作。光源還包括在例如632.8nm的不同波長λ2處工作的第二激光器123。每個激光器121、123的輸出如圖3中所示被分別導向通過部分反射鏡125和被部分反射鏡125反射，以便單個的組合光束127從該鏡125的面向下的表面發(fā)出。
光束127因而被導向通過起偏器124、PEM 126且通過聚合物薄膜樣品136，該樣品136按照所需被樣品支架134支撐，該樣品支架134允許從樣品136發(fā)出的光束127繼續(xù)通過第二PEM 128和檢偏器130。光束127然后被導向通過被布置得起分束器作用的二向色性的部分反射鏡，該分束器允許第一激光器121的波長通過檢測器132，且將第二激光器123的波長反射至另一檢測器137。優(yōu)選地，濾光器133、135被設置在每個檢測器的入口處以更精確地選擇被導向每個檢測器132、137的特定波長。
每個檢測器132、137的輸出被如上結合圖1的實施例中的檢測器32(見圖2)的輸出所述地處理。與圖3的實施例一致，拉伸的聚合物薄膜的快軸的角度已知且與如上所述的系統(tǒng)對準。因而，如上面的方程式(5.3)中所提供的，DC信號為VDC=KI02{1+J0(δ10)·J0(δ20·)sin(4ρ)sin2(δ2)}]]>方程式(5.3)如上所述，為了精確地測量樣品的雙折射，DC信號需與延遲值和快軸角度無關。即，方程式(5.3)中的第二項必須設為零，或者J0(δ10)·J0(δ20)·sin(4ρ)sin2(δ2)=0]]>方程式(5.3.1)理論上，當沒有適合于上面所討論的低等級雙折射測量的小角度近似時，如果方程式(5.3.1)中的四項中的任何一個為“0”，則滿足此條件。因此，除將拉伸的聚合物薄膜的快軸角度設定或對準為盡可能地接近“0”度之外，方程式(5.3.1)中的J0項也應該接近“0”。考慮圖3的裝置，下列所述的是利用裝置120的組件將方程式(5.3.1)中的J0項設為接近于“0”而進行的算法。
1.用來設定J0項的樣品在此所使用的樣品應該接近于用于如上所述的圖3的裝置中的兩個波長(λ1，λ2)的四分之一波片。為與用于該裝置中的波長相接近的波長而設計的第0階四分之一波片將會為此目的而很好地工作。
2.用于設定J0項的調制信號為了設定PEM的驅動電壓使得J0≈0，對用于該裝置中的兩個PEM 126、128的第一諧波信號進行監(jiān)控。來自兩個PEM的調制信號能夠利用鎖定放大器或者波形分析方法而測得。
3.設定PEM的驅動電壓a.該系統(tǒng)必須首先在每個波長處被校準和測試。這能夠例如通過將從激光器121或123發(fā)出的兩個光束之一簡單地阻擋來完成。此步驟精確地確定每個PEM的驅動電壓，使得J0＝0。在此步驟中所確定的四個確定量為PEM1W1V對于在波長λ1處的PEM 126，給定J0＝0的PEM 126的驅動電壓；PEM2W1V對于在波長λ1處的PEM 128，給定J0＝0的PEM 128的驅動電壓；PEM1W2V對于在波長λ2處的PEM 126，給定J0＝0的PEM 126的驅動電壓；PEM2W2V對于在波長λ2處的PEM 128，給定J0＝0的PEM 128的驅動電壓。
b.在圖3的用于測量拉伸的聚合物的高等級雙折射的系統(tǒng)中，采用下面的量PEM1W1V對于在波長λ1處的PEM 126，給定J0＝0的PEM 126的驅動電壓；以及PEM2W2V對于在波長λ2處的PEM 128，給定J0＝0的PEM 128的驅動電壓。
當用于該裝置120中的兩個光源121、123的波長值彼此接近時，使用如剛剛所提到的PEM1W1V與PEM2W2V將會確保兩個J0項之一被精確地設為“0”，同時另一個接近于“0”。因此，方程式(5.3.1)中的四項的乘積總是被合適地近似為“0”。
對于如此確定為零的方程式(5.3.1)的四項的乘積，方程式(9.1)-(9.2)被有效地應用于計算圖3的實施例中的延遲。假定被測量的拉伸的聚合物薄膜的雙折射色散在兩個不同的波長處可以忽略，則對于第一多個全波長周期實際的延遲與所測得的延遲之間的關系為mλ1+δ1＝mλ2+δ2當(δ1-δ2)＞＝0時mλ1+δ1＝(m-1)λ2+δ2當(δ1-δ2)＜0時 方程式(10)其中λ1和λ2(λ1＜λ2)是光源121、123的兩個波長；δ1和δ2分別是在λ1和λ2處的全波長變換之后所測得的延遲值；m是表示實際延遲中所包含的較短波長的全波長的數(shù)目的整數(shù)(m＞＝0)。
由方程式(10)，我們可計算m為m＝(δ1-δ2)/(λ2-λ1) 當(δ1-δ2)＞＝0時，或者m＝[(δ1-δ2)+λ2]/(λ2-λ1) 當(δ1-δ2)＜0時 方程式(11)然后通過如下來確定樣品136的實際延遲Ret(nm)=mλ1+δ1=λ1(δ1-δ2)(λ2-λ1)+δ1]]>=mλ2+δ2=λ2(δ1-δ2)(λ2-λ1)+δ2]]>當(δ1-δ2)＞＝0時，或者Ret(nm)=mλ1+δ1=λ1[(δ1-δ2)+λ2](λ2-λ1)+δ1]]>=(m-1)λ2+δ2=λ2[(δ1-δ2)+λ1](λ2-λ1)+δ2]]>當(δ1-δ2)＜0時方程式(12)當兩個波長(λ1和λ2)被用于延遲測量時，基于這些波長的可能的測量分別如圖5的圖表中的實線60和虛線62所示。即，圖5示出了圖3的系統(tǒng)的可能的延遲測量，該系統(tǒng)中使用了分別在543.5nm和632.8nm波長處工作的兩個He-Ne激光器。圖5的圖表示出了在543.5nm和632.8nm處測得的延遲值與0至大約4,300nm范圍內的實際延遲之間的關系。
利用圖5中所示的數(shù)據(jù)，能夠利用方程式(11)來計算和確定“m”值，此計算的結果在圖7中被描述。
返回圖5，兩條曲線60、62表示0-4,300nm范圍內的延遲值，其能夠利用兩個選取的波長被測得。在七個周期的λ1曲線(543.5nm)和六個周期的λ2曲線(632.8nm)之后，兩條曲線接近重疊，但λ1曲線超前了7.7nm(543.5×7-632.8×6＝7.7)。在14個周期的λ1曲線和12個周期的λ2曲線之后，兩條曲線再次接近重疊，但λ1曲線超前λ2曲線15.4nm。類似地，在這種組合的七/六周期過程的三個循環(huán)之后，λ1曲線將會超前λ2曲線23.1nm(3×7.7nm)。
該七/六周期將會繼續(xù)，并且每個周期均是唯一的(即，沒有導致測量數(shù)據(jù)雙值性的重疊)。因此，能夠對于每個七/六周期利用僅略微不同于方程式(12)的方程式來確定實際延遲。因此，取決于所選取的兩個波長的值的此方法的延遲上限為兩個波長λ1和λ2的乘積(543.5×632.8＝343,926.8)。
值得注意的是，由于He-Ne氣體激光器121、123的波長是由原子的電躍遷而確定的，因此氣體激光器的間隔波長輸出非常精細。此方法的延遲上限通常是兩個波長的乘積，由此提供非常高的延遲測量限。實際上，測量誤差會規(guī)定延遲上限。例如，如果測量系統(tǒng)在上面的實例中具有接近或大于7.7nm的誤差，實驗誤差會使得區(qū)分第一個和第二個七/六周期是不切實際的。那么延遲限將會是大約3,800nm。
如果He-Ne激光器對121、123選取為使得λ1為611.8nm且λ2非常接近于它，諸如632.8nm(這些是常用的激光器)，則在30個波長周期的611.8nm和29個周期的632.8nm之后，兩條曲線將會在彼此的16nm范圍內，這在本發(fā)明的基于PEM的高等級雙折射測量系統(tǒng)中仍然可區(qū)分。即使沒有擴展到第二個30/29波長周期，延遲上限也會至少為大約18,000nm(632.8×29＝18,351)。
因此，通過適當?shù)剡x取激光對，能夠實現(xiàn)從幾千納米至數(shù)萬納米的實際延遲上限。此外，在激光對給出雙值結果的特殊例子中，能夠利用第三激光器來區(qū)分測量結果并且擴展測量范圍。
還能為每個光源121、123選取是它們整數(shù)比的一對波長。例如，可選取兩個波長以具有精確的6比5的比率。在這種情況下，六/五波長周期將會精確重復。在這種情況下，延遲上限將會正好是較長波長的五倍(或較短波長的六倍)。
由紅(632.8nm)和黃(587.6nm)波長組成的He-Ne激光器對提供幾乎精確13比14的波長周期(13×632.8＝8,226.4；14×587.6＝8,226.4)。因此，利用此激光器對建立的高等級雙折射測量系統(tǒng)將會具有8,226nm的延遲上限。實際上，會局限于利用這樣一種系統(tǒng)來區(qū)分0-8,226.4nm的延遲范圍內的延遲值。
在此值得注意的是，盡管在上面描述的一個光源122包括兩個分開的激光器121、123，但是在此實施例中設想了其他光源構造。例如，產生兩個不同波長的單個激光器可被使用。一個這樣的例子可以是可調諧二極管激光器。另一個例子是可被操作的以產生325nm和442nm波長光束的HeCd激光器。例如在488nm、568nm和647nm處同時產生兩個或三個輸出光束的氣冷式離子激光器也可被利用。
作為另一種替代方案，光源122可以是與準直光學系統(tǒng)相關聯(lián)的寬帶燈。寬帶光源(諸如汞燈、氙燈或氘燈)與一個或多個濾光輪組合以選取期望的波長。包括高通、低通和帶通濾波器的不同類型的光學濾波器可用于該濾光輪中。需要時可應用濾光輪的組合。
同樣可設想光學濾波器可被用來將來自光源的光導向裝置120的其它組件(諸如起偏器124和PEM 126)。
同樣可設想能夠使用替代的檢測器布置。例如，參考圖3，從檢偏器130發(fā)出的光束可被引導通過棱鏡或其它色(波長)分離設備，由此將光束分成具有所關心的兩個波長的兩個光束。所分離的光束然后被各自導向檢測器132、137。
值得注意的是，對于拉伸的聚合物薄膜，固有延遲的等級能夠在薄膜非常短的距離上顯著改變。例如，取決于施加于薄膜的拉伸度(通常表示為比率或“拉伸因子”，諸如5比1)，所測得的延遲值在薄膜上的測量位置的僅幾毫米范圍內能夠變成高達數(shù)百納米。因此，構成組合光束127的兩個光束必須在空間上精確對準(即，具有共同的中心軸和光束直徑)以避免光束在傳播通過樣品時略微偏離而可引入的誤差，該樣品具有如剛剛所提到的延遲等級的快速變化。而且，在薄膜相對于光束移動的情形中，確保光束分量以整體的、同時的方式(而不是順序的方式)傳播以確保兩個光束分量同時打到樣品上的相同位置是很重要的。
返回圖2，計算機48被用來控制和調整來自該一個或多個光源的波長的選取，以及在用于測量雙折射的最佳等級處驅動PEM、收集由上述的檢測處理組件返回的數(shù)據(jù)并且計算最終結果。計算機包括用于表示延遲結果的顯示器，該結果還被記錄用于后續(xù)使用。在從期望的雙折射值偏離而要求改變聚合物薄膜生產工序的情況下，警報和處理控制組件也可與計算機聯(lián)合。
將會滿足用于顯示所測得的數(shù)據(jù)的許多變化中的任何一個。結果數(shù)據(jù)可被方便地、交互式地顯示。同樣，顯而易見，系統(tǒng)的用戶將會具有用于設定系統(tǒng)的工作參數(shù)(掃描邊界、柵格間距、樣品厚度、樣品移動速度等等)的可用的適合的用戶輸入裝置。
雖然已經根據(jù)優(yōu)選的實施例描述了本發(fā)明，但本領域普通技術人員將會意識到，可作出改變而不偏離前述的技術和精神。例如，諸如US專利6,473,179(下文中稱“179系統(tǒng)”并且由此作為參考被引用)中所描述的，并且利用其中描述的兩個檢測通道之一以及如上所述的雙波長光源的單PEM、單檢測器系統(tǒng)，能夠用于拉伸的聚合物薄膜樣品的延遲測量，其中該樣品的快軸角度是已知的且與“179系統(tǒng)”的參考角度一致。
最后，值得一提的是，當利用用于(基于拉伸的聚合物樣品的快軸角度的認識)測量所述的高等級雙折射的系統(tǒng)時，在裝置中沒有樣品或者樣品具有非常低的延遲等級的情況下必須進行修正。所測得的快軸角度在接近于系統(tǒng)的噪聲等級的低延遲等級下將幾乎是隨機的。如果不適當修正，未修正的系統(tǒng)將會在快軸角度接近“0”度時報告非常低的延遲值，并且在快軸角度接近90度時報告接近于光源的全波長的延遲值。因此，實現(xiàn)上述的計算的計算機程序將兩個波長處測量的延遲等級相比較，并且如果這些等級非常低，則忽視測量數(shù)據(jù)中的快軸角度。
最后，如果被測量的拉伸的聚合物薄膜的雙折射色散在兩個不同波長處顯著，則方程式10-12可被略微修改以考慮色散效應。
權利要求
1.一種確定光學材料的樣品的雙折射等級的方法，該方法利用具有已知的系統(tǒng)參考角度的光學組件的裝置，其中該樣品具有在樣品中具有預定定向的快軸角度，該方法包括步驟將該樣品的快軸方向對準該系統(tǒng)的參考角度；以及在該樣品上的一位置處測量該雙折射等級。
2.權利要求1的方法，其中測量包括將具有第一波長的第一束偏振調制光和具有第二波長的第二束偏振調制光獨立地導向通過該樣品，該第一和第二波長不同。
3.權利要求2的方法，其中該第一和第二波長被選取為提供在大于一個全第一波長的等級處的雙折射的單值測量。
4.權利要求2的方法，其中該第一和第二波長被選取為提供在零至該第一或第二波長之一的幾倍的范圍內的等級處的雙折射的單值測量。
5.權利要求2的方法，其中該第一和第二波長被選取為提供在零至大約4,300nm的范圍內的等級處的雙折射的單值測量。
6.權利要求2的方法，其中該第一和第二波長被選取為提供在零至大約18,000nm的范圍內的等級處的雙折射的單值測量。
7.權利要求2的方法，其中該第一和第二波長被選取為彼此成預定比。
8.權利要求2的方法，包括將該第一和第二光束導向通過樣品上的相同位置的步驟。
9.權利要求8的方法，其中導向包括在兩個分立光源與該樣品之間布置部分反射件。
10.權利要求9的方法，包括在該兩個光束通過該樣品之后將光束分離的步驟。
11.權利要求9的方法，包括同時將該第一和第二光束導向通過樣品中的相同位置的步驟。
12.權利要求1的方法，包括支撐該樣品相對于光束移動的步驟。
13.權利要求1的方法，包括提供拉伸的聚合物薄膜作為該樣品的步驟。
14.權利要求2的方法，其中測量包括將具有第三波長的第三束偏振調制光獨立地導向通過該樣品，該第一和第二以及第三波長不同。
15.一種用于測量光學材料的樣品的折射等級的系統(tǒng)，該光學材料的快軸角度具有已知定向，該系統(tǒng)包括分別具有第一和第二波長的兩個或更多個光束的光源，該第一和第二波長彼此不同；用于調制光束的偏振的偏振調制器；用于支撐該樣品的樣品支架，所述樣品的快軸角度具有預定定向；以及用于將光束導向通過該樣品并且計算該樣品的雙折射等級的測量裝置。
16.權利要求15的系統(tǒng)，其中該光源包括至少兩個分立的激光器。
17.權利要求15的系統(tǒng)，其中該光源包括可操作的以產生具有不同波長的兩個或更多個光束的單個激光器。
18.權利要求15的系統(tǒng)，其中該光源是被適當濾光的寬帶燈。
19.權利要求15的系統(tǒng)，其中該測量裝置包括選取裝置，以提供在大于一個全第二波長的等級處的雙折射的單值測量。
20.權利要求15的系統(tǒng)，其中該測量裝置包括選取裝置，以提供在零至該第二波長的幾倍的范圍內的等級處的延遲的單值測量。
21.權利要求15的系統(tǒng)，其中該測量裝置包括選取裝置，以提供在零至大約4,300nm的范圍內的等級處的延遲的單值測量。
22.權利要求15的系統(tǒng)，其中該測量裝置包括選取裝置，以提供在零至大約18,000nm的范圍內的等級處的延遲的單值測量。
23.權利要求15的系統(tǒng)，其中該樣品為拉伸的聚合物薄膜。
全文摘要
提供用于確定諸如聚合物薄膜的光學材料的雙折射等級的方法。在一個實施例中，該方法利用具有已知的系統(tǒng)參考角度的光學組件的裝置。樣品(136)可以是快軸角度在樣品(136)中具有預定定向的拉伸的聚合物薄膜。系統(tǒng)(120)被操作以將樣品(136)的快軸方向對準該系統(tǒng)的參考角度，并且在樣品(136)的一個位置處測量雙折射等級。作為本發(fā)明的一個方面，描述了用于在非常寬的范圍且高達數(shù)萬納米上精確地確定雙折射等級的實施例和方法。
文檔編號G01J4/00GK101076714SQ200580036436
公開日2007年11月21日 申請日期2005年10月24日 優(yōu)先權日2004年10月25日
發(fā)明者王寶良 申請人:海因茲儀器公司