CN101076714B - 聚合物薄膜等的双折射测量 - Google Patents

Abstract

提供用于确定诸如聚合物薄膜的光学材料的双折射等级的方法。在一个实施例中，该方法利用具有已知的系统参考角度的光学组件的装置。样品(136)可以是快轴角度在样品(136)中具有预定定向的拉伸的聚合物薄膜。系统(120)被操作以将样品(136)的快轴方向对准该系统的参考角度，并且在样品(136)的一个位置处测量双折射等级。作为本发明的一个方面，描述了用于在非常宽的范围且高达数万纳米上精确地确定双折射等级的实施例和方法。

Description

聚合物薄膜等的双折射测量

技术领域

本申请涉及诸如聚合物薄膜的光学材料的双折射精确测量。

背景技术

聚合物薄膜由利用多种处理方法的任何一种，诸如挤出成膜法(Film Extrusion)制成薄片的热塑性聚合物形成。聚合物薄膜有许多应用，诸如包装、磁性介质涂层等。聚合物可以在薄膜形成期间被“定向”。一种技术生产出通常被称作“拉伸的聚合物薄膜”的产品，由此长聚合物分子在一个方向上基本上对准。拉伸该薄膜提高了其物理特性，诸如其硬度和空间稳定性。拉伸同样提高了薄膜的光学特性和防潮效果。存在定向聚合物材料的其它方法。例如，可采用光致对准处理，由此由利用紫外光照射聚合物薄膜导致聚合物的对准。

聚合物薄膜具有在下面更详细描述的双折射特性。简而言之，薄膜的双折射特性的测量可产生对薄膜的物理、光学或其它特性有用的了解。例如，所测得的聚合物薄膜的双折射等级能够容易地与薄膜具有的聚合物定向或拉伸的范围相关联，并且因此与薄膜的期望的物理特性相关联。

双折射是指不同的线性偏振光以不同的速度通过诸如聚合物薄膜的透光元件。延迟表示沿着通过薄膜的光束路径作用的双折射的综合效应。如果入射光束线性偏振，偏振光的两个正交分量将会以一相位差射出样品，该相位差被称为延迟。延迟的基本单位为长度，诸如纳米(nm)。然而，经常方便地以相位角为单位(波、弧度或度数)表示延迟，其正比于延迟(nm)除以光波长(nm)。

时常，术语“双折射”与术语“延迟”交换使用，该术语“双折射”与术语“延迟”带有相同的意思。因此，除非另有说明，这些术语在下面也交换使用。

上述的两个正交偏振分量平行于两个正交轴，该两个正交轴是聚合物薄膜样品的被测部分的特性，且分别被称作“快轴”和“慢轴”。快轴是与通过样品的偏振光的较快移动分量对准的聚合物薄膜的轴。因此，沿着给定的光路对聚合物薄膜样品的延迟的完整描述需要指定样品的延迟大小和快轴(或慢轴)的相对的角度定向。定向的(拉伸的)聚合物薄膜将具有相应于聚合物的定向方向且因而相应于上述的“快”或“慢”轴的轴。此事实可被用来使拉伸的聚合物薄膜的延迟测量简单化，或者快速确定这种薄膜中存在的非常高等级的延迟。

发明内容

本发明涉及用于精确测量聚合物薄膜的双折射特性的系统和方法，该聚合物薄膜包括拉伸的聚合物薄膜。诸如圆盘形的其它聚合物具有使得聚合物将会表现双折射特性的构造，其也可受在此所述的测量技术检验，并且因此，下面所述的聚合物并不意欲局限于结合本发明的优选实施例所述的长的、棒状聚合物。

该方法利用具有已知的系统参考角度的光学组件的装置。在一个实施例中，聚合物样品的快轴角度在样品中具有预定定向。该系统被操作以将聚合物样品的快轴方向对准系统的参考角度，且在样品上的一位置处测量双折射等级。

作为本发明的一个方面，描述了用于精确地确定在非常宽的范围且高达数万纳米的双折射等级的实施例和方法。

随着研究此说明书的下面部分和附图，本发明的其它优点和特征将变得清楚。

附图说明

图1是本发明的一个优选实施例的图示，示出了用于测量聚合物薄膜的双折射的系统的光学组件的优选布置。

图2是图1中所示的系统的处理组件的框图。

图3是本发明的另一个优选实施例的图示，示出了该系统的光学组件的优选布置。

图4是该系统的替代的处理组件的框图。

图5是表示根据本发明的一个方面对于在两个不同波长处测量的样品的延迟曲线。

图6是表示对于其快轴角度具有已知定向的光学样品的实际的与所测得的延迟值的图表。

图7是表示在计算拉伸的聚合物薄膜的高等级双折射中使用的变量“m”的值的图表。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例利用包括两个光弹性调制器(PEM)的光学装置来测量聚合物薄膜中的线性双折射。此后将此装置称为双PEM装置。本实施例测定聚合物薄膜的双折射特性(大小和角定向二者)。本实施例对以非常高的灵敏性测量低等级线性双折射尤为有用。

注意这里所描述的系统并不局限于测量聚合物薄膜的双折射特性。本领域普通技术人员将理解，本系统同样将允许测量包括诸如石英、方解石、云母和兰宝石的单晶材料的多种光学材料的任何一种的这种特性。双折射可由外力引起或是材料固有的。

参考图1，本实施例的双PEM装置20一般包括三个模块。上模块包括光源22、以45度定向的起偏器24和以0度定向的PEM 26。

下模块包括第二PEM 28，该第二PEM 28的调制频率被设定为不同于第一PEM 26的调制频率。第二PEM 28以45度定向。下模块还包括以0度定向的检偏器30和检测器32。

中间模块包括样品支架34，其可以是用于在上和下模块之间的位置支撑聚合物薄膜，以使得来自该装置的光源22的光束27通过如下面所述的薄膜样品的多种机械结构的任何一种。样品支架34可以是安装成计算机控制的、可移动的X-Y台的类型，以允许聚合物薄膜样品36的扫描。样品的厚度在图1中被非常夸大地示出。

替代地，样品支架34可以是聚合物薄膜生产过程的部件或者接近于聚合物薄膜生产过程的部件。例如，支架34可以是支撑薄膜使薄膜移动通过光束27的路径的固定架、辊式拉边器或传送带。支架34可具有支撑宽片薄膜且将宽片薄膜暴露给光束的宽度。上述的装置20的上模块和下模块能够被支撑为在薄膜的宽度上同步地、往复地移动，其中薄膜在模块之间行进。可设想在上模块和下模块的各自扫描之后薄膜能够行进，或者薄膜可被连续移动同时光束也被移动。

同样可设想装置20可被构造成提供多个光束27，以便能够在移动的薄膜的宽度上在间隔分离的位置处同时进行若干个双折射测量。此安排将会提高收集双折射数据的速度。同样可设想可支持引导众多光束的组件(以及相关的检测组件)，用于跨过移动的或固定的薄膜往复移动。

此实施例(图1和2)将波长为632.8nm的偏振He-Ne激光器用作光源22。起偏器24和检偏器30均是格兰-汤普森型起偏器。硅光敏二极管检测器32用于此实施例。PEM 26、28二者均具有棒状的熔凝石英光学元件，该光学元件由所附的石英压电变换器驱动。两个PEM26、28分别具有大约50和60KHz的额定共振频率。

参考图2，检测器32处产生的电信号包含“AC”和“DC”信号并且经不同的处理。将AC信号应用于两个锁定放大器40、42。每个锁定放大器在期望的调制频率下被参考，该期望的调制频率是两个PEM的基本调制频率的组合，且每个锁定放大器在所述期望的调制频率下解调由检测器32提供的信号。

在来自检测器32的信号通过模拟-数字转换器44和低通电子滤波器46之后记录DC信号。DC信号表示到达检测器32的平均光强度。

作为聚合物薄膜样品36的双折射特性的测量的基础的理论分析是基于适用于任何延迟-诱导光学元件的Mueller矩阵分析，并且将在下面讨论。

为清楚起见，用于图1中的三个光学组件的Mueller矩阵在下面示出。光学布置中的薄膜样品36具有以下形式，其中延迟大小为δ，且快轴角度为ρ：

$\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left(4\mathrm{\ρ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)+{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)& \sin \left(4\mathrm{\ρ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)& -\sin \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}\\ 0& \sin \left(4\mathrm{\ρ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)& -\left(\cos \left(4\mathrm{\ρ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)\right)+{\mathrm{ocs}}^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)& \cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}\\ 0& \sin \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}& -\cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}& \cos \mathrm{\δ}\end{array}\right]$

其延迟轴以0°和45°定向的两个PEM 26、28的Mueller矩阵分别是：

$\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& \cos \left(\mathrm{\δ}1\right)& \sin \left(\mathrm{\δ}1\right)\\ 0& 0& -\sin \left(\mathrm{\δ}1\right)& \cos \left(\mathrm{\δ}1\right)\end{array}\right)$ $\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& \cos \left(\mathrm{\δ}2\right)& 0& -\sin \left(\mathrm{\δ}2\right)\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& \sin \left(\mathrm{\δ}2\right)& 0& \cos \left(\mathrm{\δ}2\right)\end{array}\right)$

其中δ1和δ1是第一PEM 26和第二PEM 28的时变相位延迟(δ1＝δ1_osinω₁t且δ2＝δ2_osinω₂t；其中ω₁和ω₂是PEM的调制频率；δ1_o和δ2_o是两个PEM各自的延迟大小)。

利用图1中所示的装置中的光学组件的Mueller矩阵，到达检测器32的光强度如下获得：

$\frac{{\mathrm{KI}}_0}{2}\{1+\cos \left(\mathrm{\δ}1\right)\cos \left(\mathrm{\δ}2\right)\sin \left(4\mathrm{\ρ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)+\sin \left(\mathrm{\δ}1\right)\sin \left(\mathrm{\δ}2\right)\cos \mathrm{\δ}$

$+\cos \left(\mathrm{\δ}1\right)\sin \left(\mathrm{\δ}2\right)\cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}+\sin \left(\mathrm{\δ}1\right)\cos \left(\mathrm{\δ}2\right)\sin \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}\}$

                                       方程式(1)

其中I_o是起偏器24之后的光强度，且K是表示起偏器之后的光学系统的透射效率的常数。

方程式1中的sinδ1和cosδ1的函数能够用第一种Bessel函数展开：

$\sin \mathrm{\δ}1=\sin \left({\mathrm{\δ}1}_0\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\right)=\underset{2k+1}{\mathrm{\Σ}}{2J}_{2k+1}\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\sin \left((2k+1){\mathrm{\ω}}_{1}t\right)$ 方程式(2)

其中k是“0”或者正整数，且J_2k+1是Bessel函数的第2k+1阶；且

$\cos \mathrm{\δ}1=\cos \left({\mathrm{\δ}1}_0\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\right)=J_0\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)+\underset{2k}{\mathrm{\Σ}}{2J}_{2k}\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\cos \left(\left(2k\right){\mathrm{\ω}}_{1}t\right)$ 方程式(3)

其中J₀是Bessel函数的第0阶，且J_2k是Bessel函数的第2k阶。可对sinδ2和cosδ2进行类似地展开。

将展开的sinδ1、cosδ1、sinδ2和cosδ2代入方程式(1)，并且仅取Bessel函数的第二阶，我们会得到下面的部分：

$P1=1+[J_0\left(\mathrm{\δ}{1}_0\right)+{2J}_2\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\cos \left({2\mathrm{\ω}}_{1}t\right)]\·[J_0\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)+{2J}_2\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\cos \left({2\mathrm{\ω}}_{2}t\right)]\sin \left(4\mathrm{\ρ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)$

                                             方程式(4.1)

P2＝2J₁(δ1₀)sin(ω₁t)·2J₁(δ2₀)sin(ω₂t)·cosδ

                                             方程式(4.2)

$=J_0\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\·{2J}_1\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\sin \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)\cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}+{2J}_2\left(\mathrm{\δ}{1}_0\right)\cos \left({2\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\·2J_1\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\sin \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)\cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}$

                                      方程式(4.3)

$=J_0\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\·{2J}_1\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\·\sin \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}+{2J}_2\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_{2}t\right)\·{2J}_1\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\sin \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\sin \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}$

                                      方程式(4.4)

方程式(4.1)包含AC和DC两项。DC项可用来检测到达检测器的平均光强度。方程式(4.2)对确定高达π(即半波长或λ/2)的线性延迟是有用的。方程式(4.3)和(4.4)能够用来确定低等级的线性延迟，诸如低于π/2(四分之一波长或λ/4)。为了确定非常小的线性延迟，与方程式(4.2)相比，方程式(4.3)和(4.4)通过利用sin^-1函数代替cos^-1函数给出更精确的结果。

DC信号可从项(1)得到：

$V_{\mathrm{DC}}=\frac{{\mathrm{KI}}_0}{2}\{1+J_0\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\·J_0\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\·\sin \left(4\mathrm{\ρ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)\}$ 方程式(5)

其中将作为PEM的调制频率的函数变化的任意AC项省略，因为其对DC信号并没有净贡献。低通电子滤波器46被用来消除这种振荡。

在小角近似(即sinX＝X且sin²X＝0，其中X很小)范围内，V_DC与样品延迟无关，且因此表示到达检测器的平均光强度。当延迟等级大于30nm的样品被测量时，如方程式(5)中所示的V_DC通常将受到延迟大小和角度的影响。因此，所测量的DC信号将不会是平均光强度的真实表示。在这种情况下，进行下去的最简单的方法是将J₀(δ1₀)和J₀(δ2₀)均设为“0”。在更下面会联系如图3中所示的另一个优选实施例来讨论此方法。

对于本实施例(图1和2)的低等级延迟测量，如上面的方程式(4.1)-(4.4)中所示，测量在两个PEM 26、28的不同谐波下调制的不同信号。来自两个PEM的调制信号可利用所述的锁定放大器40、42或常规的数字波形取样和分析方法测得。

当使用锁定放大器时，必须产生两个PEM 26、28的适当的参考信号。例如，从方程式(4.2)确定cosδ需要(ω₁+ω₂)的参考信号，而从方程式(4.3)和(4.4)的后面的项确定cos(2ρ)sinδ和sin(2ρ)sinδ需要(2ω₁+ω₂)和(ω₁+2ω₂)的参考信号。

参考图4，将上面提到的参考信号(ω₁+ω₂)、(2ω₁+ω₂)和(ω₁+2ω₂)应用于硬件触发器43，该硬件触发器43控制数据获取设备45的取样。该设备45在其模拟输入端接收由检测器32产生的信号。数据获取设备45包括模拟-数字转换组件，该模拟-数字转换组件在其输出端将在检测器32处产生的信号的数字化波形传送至计算机48。该波形表示两个PEM的调制谐波的组合结果。然后数字化波形在上面提到的项下通过傅立叶变换进行分析。为了测量高达光源的半波长的线性双折射，需要如方程式(4.2)-(4.4)中出现的相同的三个项：

(2ω₁+ω₂)和(ω₁+2ω₂)项：

$V_{{2\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}=\frac{{\mathrm{KI}}_o}{2}{2J}_2\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\·2J_1\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}$ 方程式(5.1)

$V_{{2\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{\ω}}_1}=\frac{{\mathrm{KI}}_0}{2}{2J}_2\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\·{2J}_1\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\sin \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}$

                                       方程式(5.2)

(ω₁+ω₂)项：

$V_{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}=\frac{{\mathrm{KI}}_0}{2}{2J}_1\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\·{2J}_1\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\·\cos \mathrm{\δ}$ 方程式(5.3)

在此实施例中，为了记录DC信号，将PEM的延迟幅度选取为δ1₀＝δ2₀＝2.405弧度(0.3828波)，其与ρ和δ无关。DC信号为：

$V_{\mathrm{DC}}=\frac{{\mathrm{KI}}_0}{2}$ 方程式(6)

为了消除由于光源波动和来自样品或装置的其它光学组件的吸收、反射和散射对光强度变化的影响，利用AC信号与DC信号之比。对于(2ω₁+ω₂)、(ω₁+2ω₂)和(ω₁+ω₂)项，AC信号与DC信号之比在方程式(7.1)-(7.3)中表示出：

$\frac{V_{{2\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}}{V_{\mathrm{DC}}}=2J_2\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\·{2J}_1\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}$ 方程式(7.1)

$\frac{V_{{2\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{\ω}}_1}}{V_{\mathrm{DC}}}=2J_2\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\·{2J}_1\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\sin \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}$ 方程式(7.2)

$\frac{V_{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}}{V_{\mathrm{DC}}}=2J_1\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\·{2J}_1\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\cos \mathrm{\δ}$ 方程式(7.3)。

将R₁、R₂和R₃定义为修正了的比率，方程式(7.1)-(7.3)变为：

$\frac{V_{2{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}}{V_{\mathrm{DC}}}\frac{1}{{2J}_2\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\·{2J}_1\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)}=R_1=\cos \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}$ 方程式(8.1)

$\frac{V_{{2\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{\ω}}_1}}{V_{\mathrm{DC}}}\frac{1}{{2J}_2\left(\mathrm{\δ}{2}_0\right)\·{2J}_1\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)}=R_2=\sin \left(2\mathrm{\ρ}\right)\sin \mathrm{\δ}$ 方程式(8.2)

$\frac{V_{{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ω}}_2}}{V_{\mathrm{DC}}}\frac{1}{{2J}_1\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\·{2J}_1\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)}=R_3=\cos \mathrm{\δ}$ 方程式(8.3)。

最后，通过将R1和R2除以R3，且重新整理方程式(8.1)-(8.3)，样品的快轴的延迟大小和角度表示为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left[\frac{R_2}{R_1}\right]$ 或 $\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2}{\mathrm{ctg}}^{-1}\left[\frac{R_1}{R_2}\right]$ 方程式(9.1)

$\mathrm{\δ}={\tan }^{-1}\left(\sqrt{{\left(\frac{R_1}{R_3}\right)}^2+{\left(\frac{R_2}{R_2}\right)}^2}\right)$ 或δ＝cos^-1R₃    方程式(9.2)

其中δ为标量，用弧度表示。当在特定波长(即632.8nm)下测量时，δ可被转化为用“nm”表示的延迟(δ_nm＝δ_rad·632.8/(2π))。

利用原始数据的符号信息，方程式(9.1)和(9.2)导致明确确定0-π(半波长)范围内线性延迟的快轴角度和大小。

当实际的延迟在π和2π之间时，本实施例将记录0和π之间的延迟值和改变了90°的快轴角度。这导致对于π和2π之间的延迟的明显严重的错误。然而，由于Mueller矩阵对于(δ，ρ)和(λ-δ，90°+ρ)是完全相同的，因此，此表面上大的错误对于可通过Mueller矩阵模拟的光学系统并没有实际的影响。

调制频率为(2ω₁+ω₂)和(ω₁+2ω₂)的信号取决于样品快轴的定向(参见方程式(5))，且最终延迟大小与快轴角度无关(参见方程式(9))。为了实现延迟大小的角无关性，重要的是精确定向系统中的所有光学组件(以及下面所述的实施例的光学组件)。当这些光学组件未对准时，延迟大小示出了特定模式的角依赖性。第一PEM的光轴被用作系统的参考角度(“0°”)。系统中的所有其它光学组件根据此参考角度直接或间接地精确对准。

当考察的样品为拉伸的聚合物薄膜时，建立薄膜的快轴(或慢轴)的方向，因为拉伸的薄膜的定向相应于快轴或慢轴。因此，快轴所测量的角度将会是0度或90度。给定此信息，用于拉伸的聚合物薄膜的双折射测量系统的当前实施例可被扩展以确定在零和较高等级之间的延迟等级，其中所述较高等级相应于系统的光源的全波长。

当考虑用图表表示出Soleil-Babinet补偿器的延迟值50和快轴角度52的图6时，能够证明这个确定的有效性，该Soleil-Babinet补偿器被用作样品且被操作以使延迟值从0到光源(633nm激光器)的全波长(λ)进行改变。从图6中能够看出：所测得的延迟值(相应于图表左边的纵轴)在图表的右侧从半波长减小至零，其中在该图表的右侧实际延迟值(横轴)从半波长(λ/2)变为一个全波长(λ)。同样注意到快轴角度(考虑到图表最右边的纵轴)在实际延迟值相应于半波长等级的位置处改变90度。

如上所提到的，用于拉伸的聚合物薄膜的双折射测量系统的当前实施例能够被扩展以确定在零和较高等级之间的延迟等级，其中所述较高等级相应于系统的光源的全波长。为此目的，拉伸的聚合物薄膜样品以其已知的快轴方向被物理地定向，其中所述快轴方向与光学装置的0°或90°参考角度有意对准。对准无需精确，但是优选地，快轴应在系统参考角度的+/-45°范围内对准(尽管由于计算目的系统会将此范围内的轴视为对准的)。因此显然该系统对于样品对准误差具有非常高的容许限度。

随着拉伸的聚合物薄膜的快轴被如此对准，该系统将因此具有作为输入参数的已知值ρ。在一个波长上(通常将会与图6的图表中所示的相匹配)给定拉伸的薄膜的实际的与所测得的延迟特性，在δ处和在(λ-δ)(横轴)处延迟的测量值(纵轴)相同。因此，相应于已知的、先前的输入轴对准位置ρ或(90°+ρ)的延迟等级δ或(λ-δ)，被系统保持为实际延迟等级。

为了精确测量低等级线性双折射，重要的是即使使用高质量的光学组件时也修正光学装置本身现存的残余线性双折射(“仪器偏差”)。

仪器偏差主要是由于PEM中的小的残余线性双折射(0.1nm量级)。为了修正仪器偏差，首先得到没有任何样品的情况下的几个测量的平均值。当测量样品时，仪器偏差用软件来修正。这种修正仅应该在利用方程式(8)计算出比率时进行，而并非对如方程式(9)中所确定的δ和ρ的最终结果进行。该仪器偏差应该为常数(在仪器的噪声等级范围内)，除非光学组件的对准或诸如温度等实验室条件有所改变。应该慎重地用一些规则性来核对仪器偏差。

当延迟的Mueller矩阵置换时，此偏差修正在小延迟的限制范围内工作。实际上，这可能是需要偏差修正的仅有的情况。由于PEM中残余延迟如此小(0.1nm量级)，所以当测量高于50nm的延迟时可能不需要偏差修正。

下一个所描述的实施例适合于精确且快速地测量具有已知的快轴角度的样品的高等级延迟，该样品诸如拉伸的聚合物薄膜，图3中示出了用于该实施例的装置。参考图3，用于此实施例的光学装置120在许多方面与结合图1描述的光学装置相匹配。装置120包括用于引导光束127通过系统的光源122。光源的细节在下面被描述。装置120可用向下传播的光束127垂直定向(图1)。在此为了容易说明各种光学组件的相对位置关系的目的而描述装置的垂直定向，否则装置的定向并不重要。

装置120还包括以45度定向的起偏器124，以及第一PEM 126，该第一PEM 126的光轴在0度。第二PEM 128被设定为(与第一PEM)不同的调制频率，且以45度定向，并且以0度定向的检偏器130(沿光束127的路径)随在第二PEM 128之后。

在此实施例中，光源提供光束127，该光束127是来自各个光源的两个光束的组合。具体来说，光源122包括诸如He-Ne激光器的第一激光器121，其在例如543.5nm的波长λ₁处工作。光源还包括在例如632.8nm的不同波长λ₂处工作的第二激光器123。每个激光器121、123的输出如图3中所示被分别导向通过部分反射镜125和被部分反射镜125反射，以便单个的组合光束127从该镜125的面向下的表面发出。

光束127因而被导向通过起偏器124、PEM 126且通过聚合物薄膜样品136，该样品136按照所需被样品支架134支撑，该样品支架134允许从样品136发出的光束127继续通过第二PEM 128和检偏器130。光束127然后被导向通过被布置得起分束器作用的二向色性的部分反射镜，该分束器允许第一激光器121的波长通过检测器132，且将第二激光器123的波长反射至另一检测器137。优选地，滤光器133、135被设置在每个检测器的入口处以更精确地选择被导向每个检测器132、137的特定波长。

每个检测器132、137的输出被如上结合图1的实施例中的检测器32(见图2)的输出所述地处理。与图3的实施例一致，拉伸的聚合物薄膜的快轴的角度已知且与如上所述的系统对准。因而，如上面的方程式(5.3)中所提供的，DC信号为：

$V_{\mathrm{DC}}=\frac{{\mathrm{KI}}_0}{2}\{1+J_0\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\·J_0\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\·\sin \left(4\mathrm{\ρ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)\}$ 方程式(5.3)

如上所述，为了精确地测量样品的双折射，DC信号需与延迟值和快轴角度无关。即，方程式(5.3)中的第二项必须设为零，或者：

$J_0\left({\mathrm{\δ}1}_0\right)\·J_0\left({\mathrm{\δ}2}_0\right)\·\sin \left(4\mathrm{\ρ}\right){\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)=0$ 方程式(5.3.1)

理论上，当没有适合于上面所讨论的低等级双折射测量的小角度近似时，如果方程式(5.3.1)中的四项中的任何一个为“0”，则满足此条件。因此，除将拉伸的聚合物薄膜的快轴角度设定或对准为尽可能地接近“0”度之外，方程式(5.3.1)中的J₀项也应该接近“0”。考虑图3的装置，下列所述的是利用装置120的组件将方程式(5.3.1)中的J₀项设为接近于“0”而进行的算法。

1.用来设定J ₀ 项的样品

在此所使用的样品应该接近于用于如上所述的图3的装置中的两个波长(λ₁，λ₂)的四分之一波片。为与用于该装置中的波长相接近的波长而设计的第0阶四分之一波片将会为此目的而很好地工作。

2.用于设定J ₀ 项的调制信号：

为了设定PEM的驱动电压使得J₀≈0，对用于该装置中的两个PEM 126、128的第一谐波信号进行监控。来自两个PEM的调制信号能够利用锁定放大器或者波形分析方法而测得。

3.设定PEM的驱动电压：

a.该系统必须首先在每个波长处被校准和测试。这能够例如通过将从激光器121或123发出的两个光束之一简单地阻挡来完成。此步骤精确地确定每个PEM的驱动电压，使得J₀＝0。在此步骤中所确定的四个确定量为：

PEM1W1V：对于在波长λ₁处的PEM 126，给定J₀＝0的PEM 126的驱动电压；

PEM2W1V：对于在波长λ₁处的PEM 128，给定J₀＝0的PEM 128的驱动电压；

PEM1W2V：对于在波长λ₂处的PEM 126，给定J₀＝0的PEM 126的驱动电压；

PEM2W2V：对于在波长λ₂处的PEM 128，给定J₀＝0的PEM 128的驱动电压。

b.在图3的用于测量拉伸的聚合物的高等级双折射的系统中，采用下面的量：

PEM1W1V：对于在波长λ₁处的PEM 126，给定J₀＝0的PEM 126的驱动电压；以及PEM2W2V：对于在波长λ₂处的PEM 128，给定J₀＝0的PEM 128的驱动电压。

当用于该装置120中的两个光源121、123的波长值彼此接近时，使用如刚刚所提到的PEM1W1V与PEM2W2V将会确保两个J₀项之一被精确地设为“0”，同时另一个接近于“0”。因此，方程式(5.3.1)中的四项的乘积总是被合适地近似为“0”。

对于如此确定为零的方程式(5.3.1)的四项的乘积，方程式(9.1)-(9.2)被有效地应用于计算图3的实施例中的延迟。假定被测量的拉伸的聚合物薄膜的双折射色散在两个不同的波长处可以忽略，则对于第一多个全波长周期实际的延迟与所测得的延迟之间的关系为：

mλ₁+δ₁＝mλ₂+δ₂    当(δ₁-δ₂)＞＝0时

mλ₁+δ₁＝(m-1)λ₂+δ₂当(δ₁-δ₂)＜0时    方程式(10)

其中λ₁和λ₂(λ₁＜λ₂)是光源121、123的两个波长；δ₁和δ₂分别是在λ₁和λ₂处的全波长变换之后所测得的延迟值；m是表示实际延迟中所包含的较短波长的全波长的数目的整数(m＞＝0)。

由方程式(10)，我们可计算m为：

m＝(δ₁-δ₂)/(λ₂-λ₁)      当(δ₁-δ₂)＞＝0时，或者

m＝[(δ₁-δ₂)+λ₂]/(λ₂-λ₁)当(δ₁-δ₂)＜0时方程式(11)

然后通过如下来确定样品136的实际延迟：

$\mathrm{Ret}\left(\mathrm{nm}\right)=m{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\δ}}_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_1({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)}{({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}+{\mathrm{\δ}}_1$

$=m{\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\δ}}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)}{({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}+{\mathrm{\δ}}_2$

当(δ₁-δ₂)＞＝0时，或者

$\mathrm{Ret}\left(\mathrm{nm}\right)=m{\mathrm{\λ}}_1+{\mathrm{\δ}}_1=\frac{{\mathrm{\λ}}_1[({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)+{\mathrm{\λ}}_2]}{({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}+{\mathrm{\δ}}_1$

$=(m-1){\mathrm{\λ}}_2+{\mathrm{\δ}}_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_2[({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_2)+{\mathrm{\λ}}_1]}{({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1)}+{\mathrm{\δ}}_2$

当(δ₁-δ₂)＜0时

                                      方程式(12)

当两个波长(λ₁和λ₂)被用于延迟测量时，基于这些波长的可能的测量分别如图5的图表中的实线60和虚线62所示。即，图5示出了图3的系统的可能的延迟测量，该系统中使用了分别在543.5nm和632.8nm波长处工作的两个He-Ne激光器。图5的图表示出了在543.5nm和632.8nm处测得的延迟值与0至大约4,300nm范围内的实际延迟之间的关系。

利用图5中所示的数据，能够利用方程式(11)来计算和确定“m”值，此计算的结果在图7中被描述。

返回图5，两条曲线60、62表示0-4,300nm范围内的延迟值，其能够利用两个选取的波长被测得。在七个周期的λ1曲线(543.5nm)和六个周期的λ2曲线(632.8nm)之后，两条曲线接近重叠，但λ1曲线超前了7.7nm(543.5×7-632.8×6＝7.7)。在14个周期的λ1曲线和12个周期的λ2曲线之后，两条曲线再次接近重叠，但λ1曲线超前λ2曲线15.4nm。类似地，在这种组合的七/六周期过程的三个循环之后，λ1曲线将会超前λ2曲线23.1nm(3×7.7nm)。

该七/六周期将会继续，并且每个周期均是唯一的(即，没有导致测量数据双值性的重叠)。因此，能够对于每个七/六周期利用仅略微不同于方程式(12)的方程式来确定实际延迟。因此，取决于所选取的两个波长的值的此方法的延迟上限为两个波长λ1和λ2的乘积(543.5×632.8＝343,926.8)。

值得注意的是，由于He-Ne气体激光器121、123的波长是由原子的电跃迁而确定的，因此气体激光器的间隔波长输出非常精细。此方法的延迟上限通常是两个波长的乘积，由此提供非常高的延迟测量限。实际上，测量误差会规定延迟上限。例如，如果测量系统在上面的实例中具有接近或大于7.7nm的误差，实验误差会使得区分第一个和第二个七/六周期是不切实际的。那么延迟限将会是大约3,800nm。

如果He-Ne激光器对121、123选取为使得λ1为611.8nm且λ2非常接近于它，诸如632.8nm(这些是常用的激光器)，则在30个波长周期的611.8nm和29个周期的632.8nm之后，两条曲线将会在彼此的16nm范围内，这在本发明的基于PEM的高等级双折射测量系统中仍然可区分。即使没有扩展到第二个30/29波长周期，延迟上限也会至少为大约18,000nm(632.8×29＝18,351)。

因此，通过适当地选取激光对，能够实现从几千纳米至数万纳米的实际延迟上限。此外，在激光对给出双值结果的特殊例子中，能够利用第三激光器来区分测量结果并且扩展测量范围。

还能为每个光源121、123选取是它们整数比的一对波长。例如，可选取两个波长以具有精确的6比5的比率。在这种情况下，六/五波长周期将会精确重复。在这种情况下，延迟上限将会正好是较长波长的五倍(或较短波长的六倍)。

由红(632.8nm)和黄(587.6nm)波长组成的He-Ne激光器对提供几乎精确13比14的波长周期(13×632.8＝8,226.4；14×587.6＝8,226.4)。因此，利用此激光器对建立的高等级双折射测量系统将会具有8,226nm的延迟上限。实际上，会局限于利用这样一种系统来区分0-8,226.4nm的延迟范围内的延迟值。

在此值得注意的是，尽管在上面描述的一个光源122包括两个分开的激光器121、123，但是在此实施例中设想了其他光源构造。例如，产生两个不同波长的单个激光器可被使用。一个这样的例子可以是可调谐二极管激光器。另一个例子是可被操作的以产生325nm和442nm波长光束的HeCd激光器。例如在488nm、568nm和647nm处同时产生两个或三个输出光束的气冷式离子激光器也可被利用。

作为另一种替代方案，光源122可以是与准直光学系统相关联的宽带灯。宽带光源(诸如汞灯、氙灯或氘灯)与一个或多个滤光轮组合以选取期望的波长。包括高通、低通和带通滤波器的不同类型的光学滤波器可用于该滤光轮中。需要时可应用滤光轮的组合。

同样可设想光学滤波器可被用来将来自光源的光导向装置120的其它组件(诸如起偏器124和PEM 126)。

同样可设想能够使用替代的检测器布置。例如，参考图3，从检偏器130发出的光束可被引导通过棱镜或其它色(波长)分离设备，由此将光束分成具有所关心的两个波长的两个光束。所分离的光束然后被各自导向检测器132、137。

值得注意的是，对于拉伸的聚合物薄膜，固有延迟的等级能够在薄膜非常短的距离上显著改变。例如，取决于施加于薄膜的拉伸度(通常表示为比率或“拉伸因子”，诸如5比1)，所测得的延迟值在薄膜上的测量位置的仅几毫米范围内能够变成高达数百纳米。因此，构成组合光束127的两个光束必须在空间上精确对准(即，具有共同的中心轴和光束直径)以避免光束在传播通过样品时略微偏离而可引入的误差，该样品具有如刚刚所提到的延迟等级的快速变化。而且，在薄膜相对于光束移动的情形中，确保光束分量以整体的、同时的方式(而不是顺序的方式)传播以确保两个光束分量同时打到样品上的相同位置是很重要的。

返回图2，计算机48被用来控制和调整来自该一个或多个光源的波长的选取，以及在用于测量双折射的最佳等级处驱动PEM、收集由上述的检测处理组件返回的数据并且计算最终结果。计算机包括用于表示延迟结果的显示器，该结果还被记录用于后续使用。在从期望的双折射值偏离而要求改变聚合物薄膜生产工序的情况下，警报和处理控制组件也可与计算机联合。

将会满足用于显示所测得的数据的许多变化中的任何一个。结果数据可被方便地、交互式地显示。同样，显而易见，系统的用户将会具有用于设定系统的工作参数(扫描边界、栅格间距、样品厚度、样品移动速度等等)的可用的适合的用户输入装置。

虽然已经根据优选的实施例描述了本发明，但本领域普通技术人员将会意识到，可作出改变而不偏离前述的技术和精神。例如，诸如US专利6,473,179(下文中称“179系统”并且由此作为参考被引用)中所描述的，并且利用其中描述的两个检测通道之一以及如上所述的双波长光源的单PEM、单检测器系统，能够用于拉伸的聚合物薄膜样品的延迟测量，其中该样品的快轴角度是已知的且与“179系统”的参考角度一致。

最后，值得一提的是，当利用用于(基于拉伸的聚合物样品的快轴角度的认识)测量所述的高等级双折射的系统时，在装置中没有样品或者样品具有非常低的延迟等级的情况下必须进行修正。所测得的快轴角度在接近于系统的噪声等级的低延迟等级下将几乎是随机的。如果不适当修正，未修正的系统将会在快轴角度接近“0”度时报告非常低的延迟值，并且在快轴角度接近90度时报告接近于光源的全波长的延迟值。因此，实现上述的计算的计算机程序将两个波长处测量的延迟等级相比较，并且如果这些等级非常低，则忽视测量数据中的快轴角度。

最后，如果被测量的拉伸的聚合物薄膜的双折射色散在两个不同波长处显著，则方程式10-12可被略微修改以考虑色散效应。

Claims (10)

1.一种确定光学材料的样品的双折射等级的方法，该方法利用具有已知的系统参考角度的光学组件的装置，其中该样品具有在样品中具有预定定向的快轴角度，该方法包括步骤：

布置该样品以将该样品的快轴方向在系统参考角度的+/-45°范围内对准，并且提供对于所述对准的+/-45°的误差的容许限度；

将单个的光束导向通过该样品中的一位置，该光束是具有第一波长的第一束偏振调制光和具有第二波长的第二束偏振调制光的组合，其中该第一波长和第二波长不同；以及

在该样品上的该位置处测量该双折射等级。

2.权利要求1所述的一种确定光学材料的样品的双折射等级的方法，其中该第一和第二波长被选取为提供在大于一个全第一波长的等级处的双折射的单值测量。

3.权利要求1所述的一种确定光学材料的样品的双折射等级的方法，其中该第一和第二波长被选取为提供在包括该第一或第二波长的几个全周期的范围内的等级处的双折射的单值测量。

4.权利要求1所述的一种确定光学材料的样品的双折射等级的方法，其中该第一和第二波长被选取为提供在高达4,300nm的范围内的等级处的双折射的单值测量。

5.权利要求1所述的一种确定光学材料的样品的双折射等级的方法，其中该第一和第二波长被选取为提供在高达18,000nm的范围内的等级处的双折射的单值测量。

6.权利要求1所述的一种确定光学材料的样品的双折射等级的方法，其中该第一和第二波长被选取为彼此成预定比。

7.权利要求1所述的一种确定光学材料的样品的双折射等级的方法，其中导向步骤包括在两个分立光源与该样品之间布置部分反射件。

8.权利要求7所述的一种确定光学材料的样品的双折射等级的方法，包括在该组合光束通过该样品之后将组合光束分离成两个光束的步骤。

9.权利要求1所述的一种确定光学材料的样品的双折射等级的方法，包括支撑该样品相对于组合光束移动的步骤。

10.权利要求1所述的一种确定光学材料的样品的双折射等级的方法，包括提供拉伸的聚合物薄膜作为该样品的步骤。

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