專利名稱：測量各向異性物質(zhì)的物理參數(shù)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及于一種共光程外差干涉術(shù)，更特別涉及一種測量各向異性物質(zhì)的物理 參數(shù)的外差干涉術(shù)。
背景技術(shù)：
有許多種用來做光學(xué)及非接觸式測量的干涉術(shù)及干涉儀，然而大部分的干涉術(shù)或 干涉儀并非為共光程的結(jié)構(gòu)。一般來說，非共光程的結(jié)構(gòu)具有下列的問題(1)在非共光程的結(jié)構(gòu)中，參考光束與測試光束之間的光程差必須是在相干長度 內(nèi)。此外，當光程差增加時，干涉信號的對比將會減小。(2)在非共光程的結(jié)構(gòu)中，兩個光束的環(huán)境應(yīng)該要嚴格地控制。舉例來說，氣流的 擾動以及外部的振動應(yīng)該要避免。另外，室內(nèi)環(huán)境的壓力、溫度與濕度亦需要穩(wěn)定及有效率 的控制。(3)干涉圖案的分析也是較為復(fù)雜、麻煩以及較低的精確性。而外差干涉術(shù)則是利用干涉信號的相位而不是振幅來測量物理參數(shù)。因此，在干 涉過程中光強度的變化并不會影響測量結(jié)果，所要測量的物理參數(shù)可利用干涉信號的相位 來實時地取出，這是外差干涉術(shù)非常特別的特性。然而，若外差干涉術(shù)未使用共光程的結(jié) 構(gòu)，仍然會有上述(1)與(2)的缺點，且測量的精確度會降低。參考圖1，美國專利第5，946，096號提出了一種全反射外差干涉術(shù)，用來測量各向 同性物質(zhì)的折射率。外差光源11產(chǎn)生了兩道彼此相互正交且頻率略微不同的線性偏振光， 這兩道光束通過分光鏡12后，成為反射光束與透射光束。反射光束會通過線性偏光的檢偏 片16，并由光檢測器18來檢測。而在另一方面，透射光束會通過棱鏡13，而后在待測物質(zhì) 15的邊界產(chǎn)生全反射，此全反射的信號光束會通過線性偏光的檢偏片17，并由光檢測器19 來檢測。而后，由光檢測器18與19所檢測得到的信號被送至相位計110，再經(jīng)計算機111 做若干的計算，以得到待測物質(zhì)15的折射率，最后的結(jié)果顯示在顯示器112上。然而，美國專利第5，946，096號所揭露的方法僅可測量各向同性物質(zhì)的物理參 數(shù)，對于各向異性物質(zhì)的物理參數(shù)則無法測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種利用透射式外差干涉術(shù)測量各向異性物質(zhì)的物理參數(shù)的裝置及 方法。于第一實施例中，本發(fā)明的利用透射式外差干涉術(shù)測量各向異性物質(zhì)的物理參數(shù) 的裝置包含光源，用以產(chǎn)生高偏振度的光束。由光源所射出的光束可視情況通過線性偏光 的起偏片，以得到更高偏振度的光束。光束接著會通過電光調(diào)制器，此電光調(diào)制器與驅(qū)動器 連接并受其驅(qū)動及控制。驅(qū)動器另與信號產(chǎn)生器連接，使得電光調(diào)制器能夠按照所要的模 式為驅(qū)動器所驅(qū)動，藉以調(diào)制通過電光調(diào)制器的光束，以產(chǎn)生所要的外差光束。另外，信號 產(chǎn)生器還會傳送參考信號至相位計或者是鎖相放大器。
激光束經(jīng)電光調(diào)制器的調(diào)制后，會產(chǎn)生兩道彼此相互正交且頻率略微不同的線性 偏振光，兩者頻率的差與由信號產(chǎn)生器所傳送出的參考信號的頻率相等。此兩相互正交的 光束會先通過各向異性的待測物質(zhì)，例如是扭轉(zhuǎn)向列液晶盒，然后再通過線性偏光的檢偏 片，最后到達光檢測器。相位計或鎖相放大器接收由光檢測器所傳送來的干涉信號，并與由 信號產(chǎn)生器所傳送來的參考信號做比較，以得到兩者的相位差。另外，旋轉(zhuǎn)平臺則被設(shè)置成 用來使待測物質(zhì)能夠相對于測試光束做旋轉(zhuǎn)，以在不同的旋轉(zhuǎn)角度下，比較干涉信號與參 考信號以得到所要的電信號差。這些電信號差的數(shù)據(jù)被送至計算器，以計算得到待測物質(zhì) 的相關(guān)物理參數(shù)。于第二實施例中，本發(fā)明的利用透射式外差干涉術(shù)測量各向異性物質(zhì)的物理參數(shù) 的裝置大體上與第一實施例的裝置相同，亦包含有電光調(diào)制器、信號產(chǎn)生器、驅(qū)動器、檢偏 片、光檢測器、相位計/鎖相放大器、計算器以及旋轉(zhuǎn)平臺。與第一實施例不同的是，本實施 例的光源使用二極管激光器，而起偏片則改為半波片。除此之外，二極管激光器還與激光器 二極管穩(wěn)壓器電連接，以使激光器的輸出能夠穩(wěn)定。由二極管激光器所射出的激光束，還利 用準直透鏡聚為平行光，并再通過設(shè)于準直透鏡下游的可調(diào)光圈，以濾除掉不需要的邊緣 光。接著激光束再通過半波片，此后本實施例的裝置的測量原理與第一實施例的裝置的測 量原理相同。根據(jù)本發(fā)明的利用透射式外差干涉術(shù)測量各向異性物質(zhì)的物理參數(shù)的方法可精 確地測量出光學(xué)補償彎曲(optical compensated bend ；0CB)液晶盒、TAC膜(Triacetyl Cellulose film ；TAC film)或者是扭轉(zhuǎn)向列(twisted Nematic ；TN)液晶盒的扭轉(zhuǎn)角 (twist angle)、預(yù)傾角(pretilt angle)與液晶盒厚度(cellgap)。由于扭轉(zhuǎn)角的微小變 化對于扭轉(zhuǎn)向列液晶盒的對比度來說相當敏感，因此精確的測量出扭轉(zhuǎn)角對扭轉(zhuǎn)向列液晶 盒來說是相當重要的。根據(jù)本發(fā)明的利用透射式外差干涉術(shù)測量各向異性物質(zhì)的物理參數(shù) 的方法，因為使用共光程，減少了環(huán)境的干擾，可獲得更穩(wěn)定的測量數(shù)值。為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征、和優(yōu)點能更明顯，下文將結(jié)合附圖，作詳 細說明如下。


圖1為現(xiàn)有利用全反射外差干涉術(shù)來測量各向同性物質(zhì)的折射率的裝置的示意 圖；圖2為本發(fā)明第一實施例的利用透射式外差干涉術(shù)測量各向異性物質(zhì)的物理參 數(shù)的裝置的示意圖；圖3為本發(fā)明第二實施例的利用透射式外差干涉術(shù)測量各向異性物質(zhì)的物理參 數(shù)的裝置的示意圖；圖4為利用本發(fā)明的透射式外差干涉術(shù)對扭轉(zhuǎn)向列液晶盒做測量所得到的理論 上與實驗上的相位差對液晶盒旋轉(zhuǎn)角度的圖形；圖5為利用二極管激光器對OCB液晶盒做測量，所得到的相位差對液晶盒旋轉(zhuǎn)角 度的圖形；圖6為利用氦氖激光器對相同的OCB液晶盒做測量，所得到的相位差對液晶盒旋 轉(zhuǎn)角度的圖形。
具體實施例方式參考圖2，本發(fā)明第一實施例的利用透射式外差干涉術(shù)測量各向異性物質(zhì) (anisotropic material)的物理參數(shù)的裝置包含有光源210，例如是激光器，例如是氣體激 光器，例如是氦氖激光器，用以產(chǎn)生高偏振度的光束。由光源210所射出的光束可視情況通 過線性偏光的起偏片212，以得到更高偏振度的光束。光束接著會通過電光調(diào)制器220，此 電光調(diào)制器220與驅(qū)動器232連接并受其驅(qū)動及控制。驅(qū)動器232另與信號產(chǎn)生器230連 接，使得電光調(diào)制器220能夠按照所要的模式為驅(qū)動器232所驅(qū)動，藉以調(diào)制通過電光調(diào)制 器220的光束，以產(chǎn)生所要的外差光束。另外，信號產(chǎn)生器230還會傳送參考信號至相位計 或者是鎖相放大器270。激光束經(jīng)電光調(diào)制器220的調(diào)制后，會產(chǎn)生兩道彼此相互正交(orthogonal)且頻 率略微不同的線性偏振光，兩者頻率的差與由信號產(chǎn)生器230所傳送出的參考信號的頻率 相等。此兩相互正交的光束會先通過各向異性的待測物質(zhì)240，然后再通過線性偏光的檢偏 片250，以在該檢偏片250上產(chǎn)生干涉。以光檢測器260測量該干涉光束，并將之轉(zhuǎn)換為電 的干涉信號。相位計或鎖相放大器270則接收由光檢測器260所傳送來的干涉信號，并與 由信號產(chǎn)生器230所傳送來的參考信號做比較，以得到兩者的相位差。另外，旋轉(zhuǎn)平臺290 則被設(shè)置成用來使待測物質(zhì)240能夠相對于測試光束做旋轉(zhuǎn)，以在不同的旋轉(zhuǎn)角度下，比 較干涉信號與參考信號以得到所要的電信號差。這些電信號差的數(shù)據(jù)被送至計算器280，以 計算得到待測物質(zhì)240的相關(guān)物理參數(shù)。參考圖3，本發(fā)明第二實施例的利用透射式外差干涉術(shù)測量各向異性物質(zhì)的物理 參數(shù)的裝置大體上與第一實施例的裝置相同，亦包含有電光調(diào)制器220、信號產(chǎn)生器230、 驅(qū)動器232、檢偏片250、光檢測器260、相位計/鎖相放大器270、計算器280以及旋轉(zhuǎn)平臺 290。與第一實施例不同的是，本實施例的光源210使用二極管激光器(diode laser)，而起 偏片212則改為半波片(half wave plate)。除此之外，二極管激光器210還與激光器二極 管穩(wěn)壓器(laser diode control circuit) 214電連接，以使激光器的輸出能夠穩(wěn)定。由二 極管激光器210所射出的激光束，還利用準直透鏡(collimating lens) 216聚為平行光，并 再通過設(shè)于準直透鏡216下游的可調(diào)光圈218，以濾除掉不需要的邊緣光。接著激光束再通 過半波片212，此后本實施例的裝置的測量原理與第一實施例的裝置的測量原理相同，于此 不再贅述。本發(fā)明的利用透射式外差干涉術(shù)測量各向異性物質(zhì)的物理參數(shù)的裝置及方法可 用來測量光學(xué)補償彎曲(optical compensated bend ；0CB)液晶盒、TAC膜(Triacetyl Cellulose film ；TAC film)或者是扭轉(zhuǎn)向列(twisted Nematic ；TN)液晶盒的扭轉(zhuǎn)角 (twist angle)、預(yù)傾角(pretilt angle)以及液晶盒的厚度(cell gap)?，F(xiàn)在將光行進的 方向定義為ζ軸方向、垂直方向定義為1軸方向、水平方向則定義為χ軸方向。起偏片212 的偏光軸平行于χ軸、檢偏片250的偏光軸平行于y軸，而電光調(diào)制器220的快軸與χ軸的 夾角為45°。假設(shè)扭轉(zhuǎn)向列液晶盒240相對于測試光束的旋轉(zhuǎn)角度為θ，當我們旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn) 向列液晶盒240時，如圖4所示，可得到在不同θ角度下的相位差，經(jīng)由曲線擬合(curve fitting)后，可求得此扭轉(zhuǎn)向列液晶盒240的扭轉(zhuǎn)角、預(yù)傾角以及液晶盒的厚度。為了簡化計算起見，將扭轉(zhuǎn)向列液晶盒240等效視為m個延遲波片(retardation plate)所串接而成的結(jié)構(gòu)，并個別定義每一個延遲波片所對應(yīng)的光學(xué)矩陣。如此一來便可藉由瓊斯矩陣(Jones matrix)的方法來計算入射光穿過扭轉(zhuǎn)向列液晶盒240及檢偏片250
后的電場，得到如下的方程式
權(quán)利要求
一種測量各向異性物質(zhì)的物理量的方法，包含下列步驟提供各向異性的物質(zhì)；將兩道偏振狀態(tài)相互正交且頻率不同的光束通過所述物質(zhì)，所述兩光束通過所述物質(zhì)后會導(dǎo)致不同的相位延遲量；利用光檢測器將所述兩光束通過所述物質(zhì)后的信號轉(zhuǎn)換為電的干涉信號；及將所述干涉信號與參考信號比較，以得到兩者的相位差。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述兩光束的頻率的差等于所述參考信號的頻率。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述干涉信號的產(chǎn)生是將所述兩光束通過線性偏光 的檢偏片來達成。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述干涉信號與所述參考信號的比較藉由相位計或 鎖相放大器來達成。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述兩光束藉由偏振的光束通過電光調(diào)制器來產(chǎn)生。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包含 旋轉(zhuǎn)所述物質(zhì)；及在所述物質(zhì)在不同的旋轉(zhuǎn)角度下，將所述干涉信號與所述參考信號比較。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述參考信號由信號產(chǎn)生器所產(chǎn)生。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物質(zhì)可為扭轉(zhuǎn)向列液晶盒、OCB液晶盒或TAC膜。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所要測量的所述扭轉(zhuǎn)向列液晶盒的物理參數(shù)為扭轉(zhuǎn) 角、預(yù)傾角與液晶盒厚度。
10.一種測量各向異性物質(zhì)的物理參數(shù)的裝置，其包含 光源，用以產(chǎn)生光束；電光調(diào)制器，用以將所述光源所產(chǎn)生的光束轉(zhuǎn)換為兩道偏振狀態(tài)相互正交且頻率不同 的光束，以入射至待測的各向異性的物質(zhì)；線性偏光的檢偏片，用以使所述兩光束在通過所述物質(zhì)后產(chǎn)生干涉； 光檢測器，將所述干涉光束轉(zhuǎn)換為電的干涉信號； 信號產(chǎn)生器，產(chǎn)生參考信號；及相位計或鎖相放大器，用以比較所述干涉信號與所述參考信號，以得到兩者的相位差。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述兩光束的頻率的差等于所述參考信號的頻率。
12.如權(quán)利要求10所述的裝置，還包含 驅(qū)動器，用以驅(qū)動所述電光調(diào)制器， 其中所述信號產(chǎn)生器與所述驅(qū)動器連接。
13.如權(quán)利要求10所述的裝置，還包含線性偏光的起偏片，設(shè)置于所述激光器與電光調(diào)制器之間。
14.如權(quán)利要求10所述的裝置，還包含 旋轉(zhuǎn)平臺，用以旋轉(zhuǎn)所述物質(zhì)。
15.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述物質(zhì)可為扭轉(zhuǎn)向列液晶盒、OCB液晶盒或TAC膜。
16.一種測量各向異性物質(zhì)的物理參數(shù)的裝置，其包含 二極管激光器，用以產(chǎn)生激光束；激光器二極管穩(wěn)壓器，與所述二極管激光器電連接；電光調(diào)制器，用以將所述光源所產(chǎn)生的光束轉(zhuǎn)換為兩道偏振狀態(tài)相互正交且頻率不同 的光束，以入射至待測的各向異性的物質(zhì)；線性偏光的檢偏片，用以使所述兩光束在通過所述物質(zhì)后產(chǎn)生干涉； 光檢測器，將所述干涉光束轉(zhuǎn)換為電的干涉信號； 信號產(chǎn)生器，產(chǎn)生參考信號；及相位計或鎖相放大器，用以比較所述干涉信號與所述參考信號，以得到兩者的相位差。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，還包含準直透鏡，將所述二極管激光器所產(chǎn)生的光束聚為平行光；及 可調(diào)光圈，設(shè)于準直透鏡的下游。
18.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述兩光束的頻率的差等于所述參考信號的頻率。
19.如權(quán)利要求16所述的裝置，還包含 驅(qū)動器，用以驅(qū)動所述電光調(diào)制器， 其中所述信號產(chǎn)生器與所述驅(qū)動器連接。
20.如權(quán)利要求16所述的裝置，還包含 半波片，設(shè)置于所述激光器與電光調(diào)制器之間。
21.如權(quán)利要求16所述的裝置，還包含 旋轉(zhuǎn)平臺，用以旋轉(zhuǎn)所述物質(zhì)。
22.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述物質(zhì)可為扭轉(zhuǎn)向列液晶盒、OCB液晶盒或TAC
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用透射式外差干涉術(shù)測量各向異性物質(zhì)的物理參數(shù)的方法及裝置。將兩道偏振狀態(tài)相互正交且頻率稍微不同的光束通過待測的各向異性物質(zhì)，并通過線性偏光的檢偏片來產(chǎn)生干涉。以光檢測器檢測此干涉光并轉(zhuǎn)換為干涉信號，再由相位計或者是鎖相放大器來獲得干涉信號與參考信號的相位差。
文檔編號G01D5/26GK101963495SQ200910161649
公開日2011年2月2日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月24日
發(fā)明者曾恒正, 李瑞斌, 陳威州 申請人:瀚宇彩晶股份有限公司