CN116818279A - 一种光学薄膜轴角度测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学薄膜轴角度测量装置和方法，包括机架和沿光路依次设置在机架上的光源模块、第一偏振组件、检测平台、第二偏振组件、分光模块、成像模块和数据处理系统，检测平台的测量区域上设有基准线，测量平台固定的位于第一偏振组件和第二偏振组件之间，第一偏振组件和第二偏振组件通过中空转台设置在机架上，成像模块包括视觉检测系统和功率探测系统，光经分光模块分两路分别进入视觉检测系统和功率探测系统，数据处理系统用于处理数据。当待测样品为偏振类型薄膜时，只有第一偏振组件进行转动。待测样品为双折射薄膜时，第一偏振组件和第二偏振组件进行同步转动，该测量装置和方法可以适用于多种光学薄膜轴角度的快速、精准测量。

Description

一种光学薄膜轴角度测量装置和方法

技术领域

本发明属于光学检测装置，尤其涉及一种光学薄膜轴角度测量装置和方法。

背景技术

光学薄膜轴角度特性在偏振光场中的运用具有重要作用，轴角度在偏振光场中有着改变偏振状态的功能，所以使用时为稳定获取设定偏振状态的光，首先就要明确知道使用的光学薄膜的轴角度，现有的轴角度测量装置普遍只能测量偏振膜的轴角度，而对于反射膜、增透膜、滤光膜、光学保护膜、分光膜和位相膜等其他光学薄膜在偏振场中的使用则没办法进行轴角度的有效测量，而且现有轴角度测量装置结构复杂，操作难度大，检测时对样品的放置要求也极为严格，不然结果很容易出现误差，如摆放时与基准线不严格对齐会使检测结果出现较大偏差。

发明内容

鉴于以上，本发明提供一种光学薄膜轴角度测量装置和方法，可以适用于多种光学薄膜轴角度的快速、精准测量，具体技术方案如下。

一种光学薄膜轴角度测量装置，其特征在于，包括机架和沿光路依次设置在机架上的光源模块、第一偏振组件、检测平台、第二偏振组件、分光模块、成像模块和数据处理系统，检测平台的测量区域上设有基准线，测量平台固定的位于第一偏振组件和第二偏振组件之间，第一偏振组件和第二偏振组件通过中空转台设置在机架上，成像模块包括视觉检测系统和功率探测系统，光经分光模块分两路分别进入视觉检测系统和功率探测系统，数据处理系统用于接收、处理视觉检测系统和功率探测系统的数据。

进一步，所述检测平台的测量区域中心为透光窗口，所述基准线为水平直线，位于透光窗口上方。

进一步，所述光源模块和第一偏振组件之间还设置有退偏器。

进一步，所述光源模块沿光路依次包括光源和准直镜。

进一步，所述分光模块为半透半返镜，接收穿过第二偏振组件的光并将其分成两束不同方向的光，射入视觉检测系统和功率探测系统。

进一步，所述半透半返镜和视觉检测系统之间还设置有反射棱镜，用于调整入射视觉检测系统的光线角度。

进一步，所述半透半返镜和功率探测系统之间还设置有聚焦透镜，进一步聚集进入功率探测系统的光线。

一种光学薄膜轴角度测量方法，采用如上装置进行测量，步骤包括如下。

将待测样品放置在检测平台测量区域的上透光窗口，视觉检测系统采集样品边缘与基准线的倾斜角度偏差，进行视觉修正；通过准直透镜和退偏器对光线进行准直和退偏处理再射入第一偏振组件；根据待测样品的类型选择驱动第一偏振组件或第二偏振组件是单独转动还是同步转动；在偏振组件转动时通过功率探测系统获取偏振光透过待测样品所产生的光照电流变化关系；数据处理系统通过光照电流变化和偏振组件的轴角度计算出待测样品光轴与水平基准线的角度，进而得出待测样品的轴角度。

进一步，待测样品为偏振类型薄膜时，电机驱动中空转台带动第一偏振组件进行转动，第二偏振组件不动。待测样品为双折射薄膜时，电机驱动中空转台带动第一偏振组件和第二偏振组件进行同步转动。

本发明的光学薄膜轴角度测量装置，沿光路依次设置有光源、准直透镜、退偏器、第一偏振组件、检测平台、第二偏振组件、分光模块、视觉检测系统和功率探测系统，待测光学薄膜样品放置在检测平台上，若检测的样品为偏振片等偏振类型薄膜时，只驱动第一偏振组件进行转动，然后根据功率探测系统获得的光照-电流变化关系即可快速得出样品的轴角度，若检测的样品为补偿膜、离形膜、保护膜等具有双轴的双折射薄膜时，驱动第一偏振组件和第二偏振组件进行同步转动，然后根据功率探测系统获得的光照-电流变化关系即可得出样品的轴角度，因此使用本装置可以方便快速的得到多种光学薄膜的轴角度，适用性极强。另外对于操作人员要求不高，只需把样品放置在检测平台的透光窗口上即可，无需严格使检测样品的边缘与基准线对齐，通过视觉检测系统可直接修正摆放时的偏差缺陷，从而精准的得到检测样品的轴角度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中进一步给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明光学薄膜轴角度测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明的光路结构示意图；

图3为本发明检测平台测量区域的示意图；

图4为只有第一偏振组件转动时，光照度与偏转角度的拟合曲线图；

图5为第一偏振组件和第二偏振组件同步转动时，光照度与偏转角度的拟合曲线图；

其中，1-视觉检测系统，2-反射棱镜，3-聚焦透镜，4-功率探测系统，5-分光模块，6-第二偏振组件，7-检测平台，71-测量区域，72-透光窗口，73-基准线，8-第一偏振组件，9-退偏器，10-光源模块，101-光源，102-准直透镜，11-待测样品，12-中空转台，13-机架。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1-图3，本实施例的一种光学薄膜轴角度测量装置，包括机架13和沿光路依次设置在机架13上的光源模块10、第一偏振组件8、检测平台7、第二偏振组件6、分光模块5、成像模块和数据处理系统，检测平台7的测量区域上设有基准线73，测量平台7固定的位于第一偏振组件8和第二偏振组件6之间，第一偏振组件8和第二偏振组件6通过中空转台12设置在机架13上，中空转台12外接电机驱动其转动。成像模块包括视觉检测系统1和功率探测系统4，光经分光模块5分两路分别进入视觉检测系统1和功率探测系统4，在本实施例中数据处理系统可以为具有图像、数据分析功能的计算机，与视觉检测系统1和功率探测系统4连接，用于处理二者接收的数据，此处不做过多介绍，本领域技术人员亦可理解。

进一步而言，检测平台7的测量区域71中心为透光窗口72，基准线73为水平直线，位于透光窗口72上方。

本实施例中，光源模块10和第一偏振组件8之间还设置有退偏器9。光源模块10沿光路依次包括光源101和准直镜102，即退偏器9位于准直镜102和第一偏振组件8之间。

优选的分光模块5为半透半返镜，接收穿过第二偏振组件6的光并将其分成两束不同方向的光，分别射入视觉检测系统1和功率探测系统4。另外，半透半返镜和视觉检测系统之间还设置有反射棱镜2，用于调整入射视觉检测系统1的光线角度。半透半返镜和功率探测系统4之间还设置有聚焦透镜3，进一步聚集进入功率探测系统4的光线。

优选的光源101为LED光源，视觉检测系统1为相机，功率探测系统4为光照计和光功率探测器。

本实施例中LED光源经准直镜102可以提高光的利用率，再通过退偏振器9获得非偏振的光，避免光源本身的偏振特性带来计量误差。然后经过第一偏振组件8，形成偏振光场，第一个偏振组件8起起偏作用。待测样品11在检测平台7上沿基准线73放置，其与基准线73的倾斜角度偏差，可以通过视觉检测系统1进行修正，然后经待测样品11后的偏振光经过第二偏振组件6，在第二偏振组件6后端装有光照度计、光功率探测器，可以通过其获取的偏振光透过样品所产生的光亮度、电流变化关系，精确得到待测光学薄膜的轴角度。

本实施例的光学薄膜轴角度测量方法，步骤包括：

S1、将裁剪成矩形的待测样品11放置在检测平台7测量区域71上的透光窗口72，视觉检测系统1采集样品边缘与基准线73的倾斜角度偏差，进行视觉修正，获得了一个实际样品与基准线偏差的补偿角θ₃。

S2、通过准直透镜102和退偏器9对光线进行准直和退偏处理再射入第一偏振组件8。

S3、根据待测样品11的类型选择驱动第一偏振组件8或第二偏振组件6是单独转动还是同步转动。

A：待测样品为偏振类型薄膜时，电机驱动中空转台12带动第一偏振组件8进行转动，第二偏振组件6不动。

B：待测样品为双折射薄膜时，电机驱动中空转台12带动第一偏振组件8和第二偏振组件6进行同步转动。

S4、偏振组件转动时通过功率探测系统4获取偏振光透过待测样品所产生的光照电流变化关系。

S5、数据处理系统通过光照电流变化和偏振组件的轴角度计算出待测样品光轴与水平基准线的角度，进而得出待测样品的轴角度。

轴向方向为θ₁的线性偏振光的穆勒矩阵，即第一偏振组件的穆勒矩阵，如下，

轴向方向为θ_s，相位延迟为φ的样品薄膜的穆勒矩阵

A：当为待测样品为偏振类型薄膜时，只有第一偏振组件8进行转动。

功率探测系统4探测到的能量值为

I＝M_P2M_PSM_P1S₀，

其中M_p2表示第二偏振组件，此情况第二偏振组件保持固定角度，所以为已知定值。M_ps表示待测样品，在检测平台保持固定不动，其角度虽未知，但是不会引起探测器能量变化。M_p1表示第一偏振组件，此情况其按设定角度θ₁进行转动，最终能量值I随着角度θ₁发生变化。S₀为非偏振光的斯托克向量，

所以功率探测系统探测到的能量I随着θ₁变化而变化，通过设定不同角度θ₁，获取不同能量I，参照图4中光照度与偏转角度的拟合曲线图，取极值点处对应的电流值，带入上式即可求出θ_s，θ_s即待测样品轴向角度。若样品放置有偏差，待测样品真实轴向角度为θ_s+θ₃。

B：当待测样品为双折射薄膜时，第一偏振组件8和第二偏振组件6进行同步转动。

此情况功率探测系统4探测到的能量值为

I＝M_P2M_QM_P1S_c，

其中M_p1表示第一偏振组件，此情况其按设定角度θ₁进行转动，M_p2表示第二偏振组件，此情况第二偏振组件与第二偏振组件保持同步转动，即变化的转动角度一样，初始位置第一偏振组件8和第二偏振组件6的轴角度相差90°，则二者同步转动时第二偏振组件6的轴角度θ₂＝θ₁+90°，S₀为非偏振光的斯托克向量，

所以探测器能量I随着θ₁变化而变化。测量过程中，样品保持不动，φ、θ_s都不会发生变化，通过θ₁变化带来I的变化，参照图5中光照度与偏转角度的拟合曲线图，取极值点处对应的电流值，带入上式即可求出θ_s，θ_s即待测样品轴向角度。若样品放置有偏差，待测样品真实轴向角度为θ_s+θ₃。

尽管参照本发明的示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种光学薄膜轴角度测量装置，其特征在于，包括机架（13）和沿光路依次设置在机架（13）上的光源模块（10）、第一偏振组件（8）、检测平台（7）、第二偏振组件（6）、分光模块（5）、成像模块和数据处理系统，检测平台（7）的测量区域上设有基准线（73），测量平台（7）固定的位于第一偏振组件（8）和第二偏振组件（6）之间，第一偏振组件（8）和第二偏振组件（6）通过中空转台（12）设置在机架（13）上，成像模块包括视觉检测系统（1）和功率探测系统（4），光经分光模块（5）分两路分别进入视觉检测系统（1）和功率探测系统（4），数据处理系统用于接收、处理视觉检测系统（1）和功率探测系统（4）的数据。

2.根据权利要求1所述的光学薄膜轴角度测量装置，其特征在于，所述检测平台（7）的测量区域（71）中心为透光窗口（72），所述基准线（73）为水平直线，位于透光窗口（72）上方。

3.根据权利要求1所述的光学薄膜轴角度测量装置，其特征在于，所述光源模块（10）和第一偏振组件（8）之间还设置有退偏器（9）。

4.根据权利要求1所述的光学薄膜轴角度测量装置，其特征在于，所述光源模块（10）沿光路依次包括光源（101）和准直镜（102）。

5.根据权利要求1所述的光学薄膜轴角度测量装置，其特征在于，所述分光模块（5）为半透半返镜，接收穿过第二偏振组件（6）的光并将其分成两束不同方向的光，射入视觉检测系统（1）和功率探测系统（4）。

6.根据权利要求5所述的光学薄膜轴角度测量装置，其特征在于，所述半透半返镜和视觉检测系统之间还设置有反射棱镜（2），用于调整入射视觉检测系统（1）的光线角度。

7.根据权利要求5所述的光学薄膜轴角度测量装置，其特征在于，所述半透半返镜和功率探测系统（4）之间还设置有聚焦透镜（3）。

8.一种光学薄膜轴角度测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一所述的装置进行测量，步骤包括

将待测样品（11）放置在检测平台（7）测量区域（71）上的透光窗口（72），视觉检测系统（1）采集样品边缘与基准线（73）的倾斜角度偏差，进行视觉修正；

通过准直透镜（102）和退偏器（9）对光线进行准直和退偏处理再射入第一偏振组件（8）；

根据待测样品（11）的类型选择驱动第一偏振组件（8）或第二偏振组件（6）是单独转动还是同步转动；

在偏振组件转动时通过功率探测系统（4）获取偏振光透过待测样品所产生的光照电流变化关系；

数据处理系统通过光照电流变化和偏振组件的转动角度计算出待测样品光轴与水平基准线的角度，进而得出待测样品的轴角度。

9.根据权利要求8所述的光学薄膜轴角度测量方法，其特征在于，待测样品为偏振类型薄膜时，电机驱动中空转台（12）带动第一偏振组件（8）进行偏转，第二偏振组件（6）不动。

10.根据权利要求8所述的光学薄膜轴角度测量方法，其特征在于，待测样品为双折射薄膜时，电机驱动中空转台（12）带动第一偏振组件（8）和第二偏振组件（6）进行同步转动。