DE112005002618T5

DE112005002618T5 - Doppelberechnungsmessung von Polymerfilmen und dergleichen

Info

Publication number: DE112005002618T5
Application number: DE112005002618T
Authority: DE
Inventors: Baollang Beaverton Wang
Original assignee: Hinds Instruments Inc
Current assignee: Hinds Instruments Inc
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2007-10-11
Also published as: US7385696B2; CN101076714A; WO2006047422A2; CN101076714B; WO2006047422A3; US20060187452A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Doppelbrechungswerts einer Probe aus optischem Material unter Verwendung eines Aufbaus aus optischen Komponenten, der einen bekannten Systembezugswinkel aufweist, worin die Probe einen Winkel der schnellen Achse mit einer vorgegebenen Ausrichtung in der Probe aufweist und das Verfahren die Schritte umfasst:
Ausrichten der Richtung der schnellen Achse der Probe auf den Bezugswinkel des Systems; und
Messen des Doppelbrechungswerts an einer Stelle auf der Probe.

Description

Technisches Gebiet
Diese Anmeldung bezieht sich auf die genaue Messung der Doppelbrechung in optischem Material wie zum Beispiel Polymerfilmen.
Hintergrund
Dünne Polymerfilme werden aus thermoplastischen Polymeren gebildet, die zu Folien unter Verwendung eines Verfahrens aus einer Vielfalt an Verfahren hergestellt werden, zum Beispiel Folienextrusion. Die Polymerfilme weisen eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten auf, wie zum Beispiel als Verpackung, Magnetträgerbeschichtungen usw. Das Polymer kann während der Filmherstellung „ausgerichtet" oder gestreckt werden. Diese Technik erzeugt, was gewöhnlich als „gestreckter Polymerfilm" bezeichnet wird, wobei die langen Polymermoleküle im Wesentlichen in eine Richtung ausgerichtet werden. Das Strecken des Films verbessert seine physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel seine Festigkeit und Formbeständigkeit. Das Strecken verbessert ebenfalls die optischen Eigenschaften und die Dampfsperrwirksamkeit eines Films.
Polymerfilme weisen Doppelbrechungseigenschaften auf, die nachstehend ausführlicher beschrieben werden. Kurz gesagt kann das Maß der Filmdoppelbrechungseigenschaften nützliche Erkenntnisse über die physikalischen, optischen und andere Filmeigenschaften einbringen. Zum Beispiel kann der gemessene Doppelbrechungswert in einem Polymerfilm sogleich mit dem Umfang der Polymerausrichtung oder Polymerstreckung, die der Film aufweist, und folglich mit einer gewünschten physikalischen Eigenschaft des Films korreliert werden.
Doppelbrechung bedeutet, dass unterschiedliche lineare Polarisierungen des Lichts ein lichtdurchlässiges Element, zum Beispiel einen Polymerfilm, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durchlaufen. Retardierung oder Verzögerung stellt die integrierte Doppelbrechungswirkung dar, die entlang des Wegs des den Film durchlau fenden Lichtstrahls auftritt. Wenn der einfallende Lichtstrahl linear polarisiert ist, verlassen zwei orthogonale Komponenten des polarisierten Lichts die Probe mit einer Phasendifferenz, was Verzögerung genannt wird. Die Basiseinheit der Verzögerung ist die Länge, zum Beispiel Nanometer (nm). Es ist jedoch häufig günstig, die Verzögerung in Phasenwinkeleinheiten (Wellen, Bogenmaß, Grad) auszudrücken, was proportional zur Verzögerung (nm) dividiert durch die Lichtwellenlänge (nm) ist.
Häufig wird der Begriff „Doppelbrechung" synonym mit dem Begriff „Verzögerung" verwendet und trägt dieselbe Bedeutung. Demnach werden diese Begriffe nachstehend, sofern nicht anders angegeben, ebenfalls synonym verwendet.
Die oben beschriebenen orthogonalen Polarisationskomponenten befinden sich parallel zu zwei orthogonalen Achsen, die charakteristisch für den gemessenen Teil der Polymerfilmprobe sind und werden jeweils als „schnelle Achse" und „langsame Achse" bezeichnet. Die schnelle Achse ist die Achse des Polymerfilms, die mit der durch die Probe schneller durchlaufenden Komponente des polarisierten Lichts ausgerichtet ist. Deshalb erfordert eine vollständige Beschreibung der Verzögerung einer Polymerfilmprobe entlang eines gegebenen optischen Wegs die Angabe sowohl des Betrags der Verzögerung als auch der relativen Winkelausrichtung der schnellen (oder langsamen) Achse der Probe. Ausgerichteter (gestreckter) Polymerfilm weist eine schnelle Achse auf, die der Ausrichtungsrichtung des Polymers entspricht. Diese Tatsache kann zur Vereinfachung des Messens des Verzögerungsmaßes in dem gestreckten Polymerfilm ausgenutzt werden und um den sehr hohen Verzögerungswert, der in solchen Filmen vorhanden sein kann, schnell zu bestimmen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zielt auf Systeme und Verfahren zur genauen Messung von Doppelbrechungseigenschaften von Polymerfilmen, einschließlich gestreckter Polymerfilme. Andere Polymere, wie die scheibenförmigen, weisen derartige Konfigurationen auf, dass die Polymere Doppelbrechungseigenschaften zeigen, die den hierin beschriebenen Messtechniken zugänglich sind und daher soll die nachfolgende Beschreibung nicht auf die langen, stabförmigen Polymere, die im Zusammenhang mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erwähnt werden, beschränkt sein.
Das Verfahren verwendet einen Aufbau aus optischen Komponenten, der einen bekannten Systembezugswinkel aufweist. In einer Ausführungsform weist die Polymerprobe einen Winkel der schnellen Achse auf, die eine vorgegebene Ausrichtung in der Probe hat. Das System wird betrieben, um die Richtung der schnellen Achse der Polymerprobe mit dem Bezugswinkel des Systems auszurichten und die Doppelbrechungshöhe an einer Stelle auf der Probe zu messen.
Als ein Aspekt der Erfindung werden Ausführungsformen und Verfahren beschrieben, um Doppelbrechungswerte über einen weiten Bereich und bis zu zehntausende Nanometer genau zu bestimmen.
Andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei dem Studium des folgenden Teils dieser Patentschrift und Zeichnungen klar werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das eine bevorzugte Anordnung der optischen Komponenten eines Systems zur Doppelbrechungsmessung von Polymerfilmen darstellt.
2 ist ein Blockdiagramm der Bearbeitungskomponenten des in 1 dargestellten Systems.
3 ist ein Diagramm einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das eine bevorzugte Anordnung der optischen Komponenten dieses Systems darstellt.
4 ist ein Blockdiagramm alternativer Bearbeitungskomponenten des Systems.
5 ist ein Graph, der Verzögerungskurven für eine Probe darstellt, die bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen in Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung gemessen werden.
6 ist ein Graph, der die tatsächlichen Verzögerungswerte als Funktion der gemessenen für eine optische Probe mit einer bekannten Ausrichtung des Winkels ihrer schnellen Achse darstellt.
7 ist ein Graph, der die Werte einer Variable „m" darstellt, die bei der Berechnung des hohen Doppelbrechungswerts in einem gestreckten Polymerfilm verwendet wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet einen optischen Aufbau, der zwei photoelastische Modulatoren (PEM) umfasst, um die lineare Doppelbrechung in einem Polymerfilm zu messen. Dieser Aufbau wird hiernach als ein Doppel-PEM-Aufbau bezeichnet. Diese Ausführungsform bestimmt die Doppelbrechungseigenschaften (sowohl Betrag als auch Winkelausrichtung) des Polymerfilms. Diese Ausführungsform ist besonders nützlich für die Messung kleiner linearer Doppelbrechung mit einer sehr hohen Empfindlichkeit.
Es ist anzumerken, dass das hierin beschriebene System nicht auf die Messung der Doppelbrechungseigenschaften von Polymerfilmen beschränkt ist. Ein Fachmann wird verstehen, dass das vorliegende System ebenso die Messung solcher Eigenschaften in einer Vielfalt optischer Materialien erlaubt, einschließlich Einkristallmaterial wie zum Beispiel Quarz, Calcit, Glimmer und Saphir. Die Doppelbrechung kann durch äußere Kräfte oder materialimmanent erzeugt werden.
Mit Bezug auf 1 umfasst der Doppel-PEM-Aufbau 20 dieser Ausführungsform allgemein drei Module. Das Obermodul umfasst eine Lichtquelle 22, einen auf 45 Grad ausgerichteten Polarisator 24 und einen auf 0 Grad ausgerichteten PEM 26.
Das Untermodul umfasst einen zweiten PEM 28, der auf eine Modulationsfrequenz eingestellt ist, die von der Modulationsfrequenz des ersten PEM 26 verschieden ist. Der zweite PEM 28 ist auf 45 Grad ausgerichtet. Das Untermodul umfasst ebenfalls einen Analysator 30 auf 0 Grad und einen Detektor 32.
Das Mittelmodul umfasst einen Probenträger 34, der einer aus einer Vielfalt an Mechanismen zum Halten eines Polymerfilms in einer Position zwischen dem Ober- und Untermodul sein kann, um zu ermöglichen, dass ein Lichtstrahl 27 von der Quelle 22 des Aufbaus durch die Filmprobe verläuft, wie weiter unten beschrieben wird. Der Probenträger 34 kann von einem Typ sein, der an einem computergesteuerten, beweglichen X-Y-Koordinatentisch angebracht ist, um das Abtasten einer Polymerfilm probe 36 zu ermöglichen. Die Dicke der Probe ist in 1 sehr übertrieben dargestellt.
Alternativ kann der Probenträger 34 einen Teil eines Polymerfilmherstellungsverfahrens darstellen oder daran angrenzend angeordnet sein. Zum Beispiel kann der Träger 34 ein stationärer Rahmen, ein Kantenroller oder eine Fördervorrichtung sein, die den Film für die Bewegung des Films durch den Weg des Lichtstrahls 27 hält. Der Träger 34 kann eine Breite aufweisen, die eine breite Folie des Films trägt und dem Strahl aussetzt. Die oben genannten Ober- und Untermodule des Aufbaus 20 können für eine synchronisierte Hin- und Herbewegung über die Filmbreite unterstützt werden, wobei der Film zwischen den Modulen vorgerückt wird. Es wird in Erwägung gezogen, dass der Film nach jeder Abtastung der Ober- und Untermodule befördert oder der Film fortlaufend bewegt werden könnte, während ebenfalls der Strahl bewegt wird.
Es ist ebenso in Erwägung zu ziehen, dass der Aufbau 20 ausgelegt sein könnte, eine Anzahl an Strahlen 27 bereitzustellen, so dass mehrere Doppelbrechungsmessungen gleichzeitig an voneinander entfernten Stellen über der Breite des sich bewegenden Films durchgeführt werden können. Diese Anordnung würde die Geschwindigkeit erhöhen, mit der die Doppelbrechungsdaten erfasst würden. Es ist ebenfalls in Erwägung zu ziehen, dass die Komponenten, die die zahlreichen Strahlen (sowie die dazugehörigen Detektionskomponenten) führen, für eine Hin- und Herbewegung über den sich bewegenden oder stationären Film unterstützt werden könnten.
Diese Ausführungsform (1 und 2) setzt als Lichtquelle 22 einen polarisierten He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von 632,8 nm ein. Der Polarisator 24 und der Analysator 30 sind jeweils ein Glan-Thompson-Polarisator. Ein Si-Fotodiodendetektor 32 wird in dieser Ausführungsform verwendet. Beide PEM 26, 28 weisen stabförmige, optische Kieselglaselemente auf, die durch befestigte quarzpiezoelektrische Wandler angesteuert werden. Die zwei PEM 26, 28 weisen eine Nennresonanzfrequenz von ungefähr 50 bzw. 60 kHz auf.
Mit Bezug auf 2 beinhalten die an dem Detektor 32 erzeugten elektrischen Signale sowohl „Wechselstrom"- als auch „Gleichstrom"-Signale und werden unterschiedlich verarbeitet. Die Wechselstromsignale werden an zwei Lock-in-Verstärker 40, 42 angelegt. Jeder Lock-in-Verstärker ist bezogen auf eine gewünschte Modulationsfrequenz, die eine Kombination der Grundmodulationsfrequenz der zwei PEMs ist, und jeder Lock-in-Verstärker demoduliert das Signal bei der gewünschten, durch den Detektor 32 bereitgestellten Modulationsfrequenz.
Das Gleichstromsignal wird erfasst, nachdem das Signal von dem Detektor 32 durch einen Analog-Digital-Wandler 44 und einen elektronischen Tiefpassfilter 46 läuft. Das Gleichstromsignal stellt die Durchschnittslichtintensität dar, die den Detektor 32 erreicht.
Die theoretische Analyse, die der Messung der Doppelbrechungseigenschaften der Polymerfilmprobe 36 zugrunde liegt, basiert auf einer Müller-Matrixanalyse, die auf jedes Verzögerung verursachende optische Element anwendbar ist, und wird als nächstes erörtert.
Zur Deutlichkeit sind die Müller-Matrizen für drei der optischen Komponenten in 1 nachstehend dargestellt. Die Filmprobe 36 in der optischen Anordnung mit einem Verzögerungsbetrag, δ, und einem Winkel der schnellen Achse, ρ, weist die folgende Form auf:
Die Müller-Matrizen der zwei PEM 26, 28 mit ihren auf 0° und 45° ausgerichteten Verzögerungsachsen sind jeweils:
wobei δ1 und δ2 die zeitabhängige Phasenverzögerung des ersten PEM 26 und des zweiten PEM 28 sind (δ1 = δ1₀sinω₁t und δ2 = δ2₀sinω₂t; wobei ω₁ und ω₂ die Modulationsfrequenzen der PEM sind; δ1₀ und δ2₀ die entsprechenden Verzögerungsamplituden der zwei PEM).
Unter Verwendung der Müller-Matrizen der optischen Komponenten in dem in 1 dargestellten Aufbau, ergibt sich die Lichtintensität, die den Detektor 32 erreicht, wie folgt:
wobei I₀ die Lichtintensität nach dem Polarisator 24 und K eine Konstante ist, die den Transmissionsgrad des optischen Systems nach dem Polarisator darstellt.
Die Funktionen von sinδ1 und cosδ1 in Gleichung 1 können mit der Besselfunktion erster Art erweitert werden:
wobei k entweder „0" oder eine positive Ganzzahl und J_2k+1 die (2k+1)-te Ordnung der Besselfunktion ist; und
wobei J₀ die 0. Ordnung der Besselfunktion und J_2k die (2k)-te Ordnung der Besselfunktion ist. Ähnliche Erweiterungen können für sinδ2 und cosδ2 gemacht werden. Durch Einsetzen der Erweiterungen von sinδ1, cosδ1, sinδ2 und cosδ2 in Gleichung (1) und Berücksichtigung lediglich bis zur zweiten Ordnung der Besselfunktion erhält man die folgenden Teile:
Gleichung (4.1) enthält sowohl die Wechselstrom- als auch die Gleichstromterme. Die Gleichstromterme können verwendet werden, um die Durchschnittslichtintensität zu ermitteln, die den Detektor erreicht. Gleichung (4.2) ist nützlich zur Bestimmung der linearen Verzögerung bis zu π (d.h. Halbwellenlänge oder λ/2). Die Gleichungen (4.3) und (4.4) können verwendet werden, um die lineare Verzögerung bei niedrigen Werten zu bestimmen, wie zum Beispiel unterhalb von π/2 (Viertelwellenlänge oder λ/4). Zur Bestimmung einer sehr kleinen linearen Verzögerung liefern die Gleichungen (4.3) und (4.4) verglichen mit Gleichung (4.2) genauere Ergebnisse durch Verwendung der Funktion sin^–1 anstelle der Funktion cos^–1.
Das Gleichstromsignal kann aus Term (1) abgeleitet werden zu:
wobei jegliche Wechselstromterme, die sich als Funktion der Modulationsfrequenzen der PEM ändern, ausgelassen sind, da sie keinen Nettobeitrag zu dem Gleichstromsignal liefern. Der elektronische Tiefpassfilter 46 wird verwendet, um solche Schwankungen zu eliminieren.
Innerhalb einer Kleinwinkelapproximation (d.h. sinX = X und sin²X = 0, wenn X sehr klein ist) ist V_DC unabhängig von der Verzögerung der Probe und stellt folglich die Durchschnittslichtintensität dar, die den Detektor erreicht. Wenn eine Probe mit einem Verzögerungswert über 30 nm gemessen wird, ist das wie in Gleichung (5) dargestellte V_DC allgemein durch den Betrag und den Winkel der Verzögerung beeinflusst. Folglich ist das gemessene Gleichstromsignal keine getreue Darstellung der Durchschnittslichtintensität. In diesem Fall ist der direkteste Weg fortzufahren, sowohl J₀(δ1₀) und J(δ2₀) gleich „0" zu setzen. Dieses Verfahren wird weiter unten in Verbindung mit einer anderen bevorzugten Ausführungsform wie in 3 dargestellt erläutert.
Was die niedrige Verzögerungsmessgröße der vorliegenden Ausführungsform (1 und 2) anbetrifft, werden unterschiedliche Signale, die bei unterschiedlichen Harmonischen der zwei PEM 26, 28 moduliert werden, wie in den Gleichungen (4.1)–(4.4) oben dargestellt, gemessen. Die modulierten Signale der zwei PEM können entweder unter Verwendung der dargestellten Lock-in-Verstärker 40, 42 oder herkömmlicher digitaler Wellenformabtast- und Wellenformanalyseverfahren gemessen werden.
Wenn Lock-in-Verstärker verwendet werden, müssen exakte Referenzsignale der zwei PEM 26, 28 erzeugt werden. Zum Beispiel erfordert die Bestimmung von cosδ aus Gleichung (4.2) ein Referenzsignal von (ω₁ + ω₂) und die Bestimmung von cos(2ρ)sinδ und sin(2ρ)sinδ aus den letzteren Termen in den Gleichungen (4.3) und (4.4) erfordert ein Referenzsignal von (2ω₁ + ω₂) und (ω₁ + 2ω₂).
Mit Bezug auf 4 werden die oben erwähnten Referenzsignale (ω₁ + ω₂), (2ω₁ + ω₂) und (ω₁ + 2ω₂) an einen Hardware-Trigger 43 angelegt, der die Abtastung einer Datenerfassungsvorrichtung 45 steuert. Diese Vorrichtung 45 erhält an ihrem Analogeingang das durch den Detektor 32 erzeugte Signal. Die Datenerfassungsvorrichtung 45 umfasst Analog-Digital-Wandlerkomponenten zur Abgabe digitalisierter Wellenformen an ihrem Ausgang zu dem Computer 48 des an dem Detektor 32 erzeugten Signals. Die Wellenform stellt das zusammengefasste Ergebnis der Modulationsoberschwingungen beider PEM dar. Die digitalisierte Wellenform wird dann durch eine Fourier-Transformation der oben notierten Terme analysiert. Zur Messung der linearen Doppelbrechung bis zur Halbwellenlänge der Lichtquelle sind dieselben drei Terme erforderlich wie jene, die in den Gleichungen (4.2)–(4.4) erscheinen:
In dieser Ausführungsform wurde die Verzögerungsamplitude der PEM zu δ1₀ = δ2₀ = 2,405 rad (0,3828 Wellen) zur Erfassung des Gleichstromsignals gewählt, das unabhängig von ρ und δ ist. Dieses Gleichstromsignal ist:
Um die Auswirkung von Lichtintensitätsschwankungen aufgrund von Lichtquellenschwankungen und Absorption, Reflexion und Streuung von der Probe und anderen optischen Komponenten des Aufbaus zu eliminieren, werden die Verhältnisse der Wechselstromsignale zu den Gleichstromsignalen verwendet.
Die Verhältnisse der Wechselstromsignale zu den Gleichstromsignalen für die (2ω₁ + ω₂)-, (ω₁ + 2ω₂)- und (ω₁ + ω₂)-Terme sind in den Gleichungen (7.1)–(7.3) dargestellt:
Durch Definieren von R₁, R₂ und R₃ als korrigierte Verhältnisse werden die Gleichungen (7.1)–(7.3) zu:
Schließlich werden durch Dividieren von R1 und R2 durch R3 und Umordnen der Gleichungen (8.1)–(8.3) der Verzögerungsbetrag und der Verzögerungswinkel der schnellen Achse der Probe dargestellt als:
wobei δ, im Bogenmaß dargestellt, ein Skalar ist. Wenn es bei einer bestimmten Wellenlänge (d.h. 632,8 nm) gemessen wird, kann δ in eine Verzögerung in „nm" umgewandelt werden (δ_nm = δ_rad·632,8/(2π)).
Unter Verwendung der Vorzeicheninformation der Rohdaten führen die Gleichungen (9.1) und (9.2) zur eindeutigen Bestimmung für jeweils den Betrag und den Winkel der schnellen Achse der linearen Verzögerung in dem Bereich 0–π (Halbwelle).
Wenn die tatsächliche Verzögerung zwischen π und 2π liegt, zeigt die vorliegende Ausführungsform einen Verzögerungswert zwischen 0 und π an und einen Winkel der schnellen Achse, der um 90° verschoben ist. Dies führt zu einem offensichtlich schweren Fehler für eine Verzögerung zwischen π und 2π. Da die Müller-Matrizen jedoch identisch sind für sowohl (δ, ρ) als auch (λ – δ, 90° + ρ) hat dieser scheinbar große Fehler keine praktische Auswirkung für optische Systeme, die durch Müller-Matrizen modelliert werden können.
Die Signale bei beiden Modulationsfrequenzen der PEM hängen von der Ausrichtung der schnellen Achse der Probe (siehe Gleichung (5)) ab und die endgültigen Verzögerungsbeträge sind unabhängig von den Winkeln der schnellen Achse (siehe Gleichung (9)). Um diese Winkelunabhängigkeit des Verzögerungsbetrags zu erreichen, ist es wesentlich, alle optischen Komponenten in dem System genau auszurichten (sowie jene der nachstehend beschriebenen Ausführungsformen). Wenn die optischen Komponenten schlecht ausgerichtet sind, zeigt der Verzögerungsbetrag bestimmte Muster von Winkelabhängigkeit. Die optische Achse des ersten PEM wird als der Bezugswinkel des Systems („0°") verwendet. Alle anderen optischen Komponenten in dem System werden exakt direkt oder indirekt an diesem Bezugswinkel ausgerichtet.
Wenn die betrachtete Probe ein gestreckter Polymerfilm ist, ist die Richtung der schnellen Achse des Films festgelegt, da dieser Winkel mit der Ausrichtungsrichtung des gestreckten Films übereinstimmt. Folglich beträgt der gemessene Winkel der schnellen Achse entweder 0 Grad oder 90 Grad. Mit dieser Information kann die aktuelle Ausführungsform des Doppelbrechungsmesssystems für gestreckte Polymerfilme erweitert werden, um Verzögerungswerte zwischen Null und einem oberen Wert zu bestimmen, welcher der vollen Wellenlänge der Lichtquelle des Systems entspricht.
Die Gültigkeit dieser Bestimmung kann demonstriert werden, wenn man 6 berücksichtigt, die grafisch die Verzögerungswerte 50 und den Winkel der schnellen Achse 52 eines Soleil-Babinet-Kompensators veranschaulicht, der als eine Probe eingesetzt wird und gesteuert wird, um die Verzögerungswerte von 0 bis auf eine volle Wellenlänge (λ) der Lichtquelle (633 nm Laser) zu ändern. Man kann in 6 beobachten, dass die gemessenen Verzögerungswerte (übereinstimmend mit der linken, senkrechten Achse des Graphen) von einer halben Wellenlänge auf Null über der rechten Seite des Graphen abnehmen, wobei die tatsächlichen Verzögerungswerte (horizontale Achse) von einer halben Wellenlänge (λ/2) auf eine volle Wellenlänge (λ) wechseln. Man beobachtet ebenfalls, dass sich der Winkel der schnellen Achse (entsprechend der senkrechten Achse ganz rechts des Graphen) um 90 Grad an der Stelle ändert, an welcher der tatsächliche Verzögerungswert dem Halbwellenlängewert entspricht.
Wie oben angemerkt, kann die aktuelle Ausführungsform des Doppelbrechungsmesssystems für gestreckte Polymerfilme erweitert werden, um Verzögerungswerte zwischen Null und einem oberen Wert zu bestimmen, welcher der vollen Wellenlänge der Lichtquelle des Systems entspricht. Zu diesem Zweck wird die gestreckte Polymerfilmprobe physikalisch ausgerichtet, wobei die bekannte Richtung ihrer schnellen Achse absichtlich mit dem 0°- oder 90°-Bezugswinkel des optischen Aufbaus ausgerichtet ist. Die Ausrichtung muss nicht genau sein, die schnelle Achse sollte jedoch vorzugsweise innerhalb von +/–45° des Systembezugswinkels ausgerichtet sein (obwohl das System eine Achse innerhalb dieses Bereichs zum Zweck der Berechnung als ausgerichtet betrachtet). Es ist somit offensichtlich, dass das System eine sehr hohe Toleranz bezüglich Probenausrichtungsfehlern aufweist.
Mit der so ausgerichteten schnellen Achse des gestreckten Polymerfilms besitzt das System somit als Eingangsparameter einen bekannten Wert für ρ. Mit einer tatsächlichen Verzögerungscharakteristik als Funktion der gemessenen des gestreckten Films über eine Wellenlänge (was allgemein mit dem in 6 dargestellten Graphen übereinstimmen wird) sind die gemessenen Werte der Verzögerung (senkrechte Achse) bei δ und (λ – δ) dieselben (horizontale Achse). Folglich wird der Verzögerungswert, entweder δ oder (λ – δ), welcher der bekannten, zuvor eingegebenen Achsenausrichtungslage entspricht, entweder ρ oder (90° + ρ), durch das System als der tatsächliche Verzögerungswert beibehalten.
Um kleine lineare Doppelbrechung genau zu messen, ist es wesentlich, die vorhandene lineare Restdoppelbrechung des optischen Aufbaus selbst auszugleichen („Instrumenten-Offset"), selbst wenn hochwertige optische Komponenten verwendet werden.
Der Instrumenten-Offset beruht in erster Linie auf der kleinen linearen Restdoppelbrechung in den PEM (in der Ordnung von 0,1 nm). Um den Instrumenten-Offset zu korrigieren, wird zuerst ein Durchschnitt aus mehreren Messungen ohne eine Probe gewonnen. Die Instrumenten-Offsets werden durch Software ausgeglichen, wenn eine Probe gemessen wird. Solche Korrekturen sollten lediglich durchgeführt werden, wenn die Verhältnisse unter Verwendung der Gleichungen (8) berechnet werden und nicht an dem in den Gleichungen (9) ermittelten Endergebnis von δ und ρ. Die Instrumenten-Offsets sollten Konstanten sein (innerhalb des Instrumentenrauschpegels), sofern es keine Änderung der Ausrichtung der optischen Komponenten oder der Laborbedingungen, wie zum Beispiel Temperatur, gibt. Es ist vernünftig, die Instrumenten-Offsets mit einiger Regelmäßigkeit zu überprüfen.
Diese Offset-Korrektur arbeitet innerhalb der Grenzen kleiner Verzögerungen, wenn die Müller-Verzögerungsmatrizen kommutieren. Praktisch ist dies der einzige Fall, in dem eine Offset-Korrektur erforderlich ist. Da die Restverzögerung in den PEM so klein ist (in der Ordnung von 0,1 nm), ist eine Offset-Korrektur nicht erforderlich, wenn Verzögerungen größer als 50 nm gemessen werden.
Die nächste beschriebene Ausführungsform, der in 3 veranschaulichte Aufbau, ist geeignet für genaue und schnelle Messungen hoher Verzögerungswerte in Proben, wie zum Beispiel gestreckte Polymerfilme, die einen bekannten Winkel der schnellen Achse aufweisen. Mit Bezug auf 3 stimmt der optische Aufbau 120 für diese Ausführungsform in vielen Gesichtspunkten mit jenem überein, der in Verbindung mit 1 beschrieben wurde. Der Aufbau 120 umfasst eine Lichtquelle 122 zum Leiten eines Lichtstrahls 127 durch das System. Die Einzelheiten der Lichtquelle werden weiter unten beschrieben. Der Aufbau 120 kann senkrecht ausgerichtet sein, wobei sich der Strahl 127 nach unten ausbreitet (1). Eine senkrechte Ausrichtung des Aufbaus ist hier zum Zweck der leichten Angabe der relativen Positionen der verschiedenen optischen Komponenten beschrieben, die Aufbauausrichtung ist jedoch ansonsten nicht wesentlich.
Der Aufbau 120 umfasst ebenfalls einen auf 45 Grad ausgerichteten Polarisator 124; sowie einen ersten PEM 126 mit seiner optischen Achse auf 0 Grad. Ein zweiter PEM 128, der auf eine unterschiedliche Modulationsfrequenz (als der erste PEM) eingestellt ist, ist auf 45 Grad ausgerichtet und ein Analysator 130, der auf 0 Grad ausgerichtet ist, folgt (in dem Weg des Lichtstrahls 127) dem zweiten PEM 128.
In dieser Ausführungsform liefert die Lichtquelle einen Lichtstrahl 127, der aus zwei Strahlen einzelner Quellen zusammengesetzt ist. Insbesondere umfasst die Lichtquelle 122 einen ersten Laser 121, wie zum Beispiel einen He-Ne-Laser, der bei einer Wellenlänge λ₁ von zum Beispiel 543,5 nm arbeitet. Die Quelle umfasst ebenfalls einen zweiten Laser 123, der bei einer unterschiedlichen Wellenlänge λ₂ von zum Beispiel 632,8 nm arbeitet. Der Ausgang jedes Lasers 121, 123 wird, wie in 3 dargestellt ist, durch einen Teilreflexionsspiegel 125 geleitet bzw. von diesem reflektiert, so dass der einzelne zusammengesetzte Strahl 127 von der nach unten gerichteten Oberfläche dieses Spiegels 125 ausstrahlt.
Der Strahl 127 wird so durch den Polarisator 124, PEM 126 und durch die Polymerfilmprobe 136 geleitet, die je nach Erfordernis durch einen Probenträger 134 gehalten werden kann, der es ermöglicht, dass sich der von der Probe 136 ausstrahlende Strahl 127 durch den zweiten PEM 128 und den Analysator 130 fortsetzt. Der Strahl 127 wird dann durch einen dichroitischen Teilreflexionsspiegel geleitet, der angeordnet ist, um als Strahlteiler zu arbeiten, der das Durchleiten der Wellenlänge des ersten Lasers 121 in einen Detektor 132 ermöglicht und die Wellenlänge des zweiten Lasers 123 in einen anderen Detektor 137 reflektiert. Vorzugsweise ist ein Filter 133, 135 an dem Einlass jedes Detektors angeordnet, um genauer die jeweiligen Wellenlängen zu selektieren, die zu jedem Detektor 132, 137 geleitet werden.
Der Ausgang jedes Detektors 132, 137 wird verarbeitet, wie oben in Zusammenhang mit dem Ausgang des Detektors 32 (siehe 2) in der Ausführungsform der 1 beschrieben ist. In Übereinstimmung mit der Ausführungsform der 3 ist der Winkel der schnellen Achse des gestreckten Polymerfilms bekannt und mit dem System wie oben beschrieben ausgerichtet. Folglich ist, wie in Gleichung (5.3) oben bereitgestellt, das Gleichstromsignal:
Wie oben erwähnt, ist es zur genauen Messung der Doppelbrechung einer Probe erforderlich, dass das Gleichstromsignal unabhängig von dem Verzögerungswert und dem Winkel der schnellen Achse ist. Und zwar muss der zweite Term der Gleichung (5.3) zu Null gesetzt werden, oder:
Theoretisch und bei Abwesenheit der Kleinwinkelapproximation, die für die oben erläuterte Kleinsignaldoppelbrechungsmessung geeignet war, ist diese Bedingung erfüllt, wenn einer der vier Terme in Gleichung (5.3.1) „0" ist. Deshalb sollten zusätzlich zur Einstellung oder Ausrichtung des Winkels der schnellen Achse der gestreckten Polymerprobe so nahe an „0" Grad wie möglich die J₀-Terme in Gleichung (5.3.1) ebenfalls nahe „0" sein. Unter Berücksichtigung des 3-Aufbaus folgt ein Algorithmus, der unter Verwendung der Komponenten des Aufbaus 120 ausgeführt wird, um die J₀-Terme in Gleichung (5.3.1) nahe „0" zu setzen.
1. Zur Einstellung der J₀-Terme verwendete Probe:
Die hier verwendete Probe sollte nahe einem λ/4-Plättchen für beide Wellenlängen (λ₁, λ₂) sein, die in dem 3-Aufbau wie oben beschrieben verwendet werden. Ein λ/4-Plättchen 0. Ordnung, das für eine Wellenlänge ausgelegt ist, die nahe den in dem Aufbau verwendeten Wellenlängen ist, funktioniert gut für diesen Zweck.
2. Zur Einstellung der J₀-Terme verwendete modulierte Signale:
Die Signale der ersten Harmonischen beider in dem Aufbau verwendeten PEM 126, 128 werden zur Einstellung der Steuerspannungen der PEM, die J₀ ≈ 0 ergeben, überwacht. Die modulierten Signale der zwei PEM können unter Verwendung entweder von Lock-in-Verstärkern oder Wellenformanalyseverfahren gemessen werden.
3. Einstellen der Steuerspannungen der PEMs:

a. Das System muss zuerst kalibriert und bei jeder Wellenlänge getestet werden. Dies kann zum Beispiel durch einfaches Abblocken eines der zwei aus den Lasern 121 oder 123 ausstrahlenden Lichtstrahlen durchgeführt werden. Dieser Schritt bestimmt die Steuerspannung, die J₀ = 0 ergibt, jedes PEM exakt. Die vier ermittelten Größen, die in diesem Schritt bestimmt werden, sind: PEM1W1V: Die Steuerspannung des PEM 126, die für den PEM 126 bei der Wellenlänge λ₁ J₀ = 0 ergibt; PEM2W1V: Die Steuerspannung des PEM 128, die für den PEM 128 bei der Wellenlänge λ₁ J₀ = 0 ergibt; PEM1W2V: Die Steuerspannung des PEM 126, die für den PEM 126 bei der Wellenlänge λ₂ J₀ = 0 ergibt; und PEM2W2V: Die Steuerspannung des PEM 128, die für den PEM 128 bei der Wellenlänge λ₂ J₀ = 0 ergibt;
b. Zur Messung hoher Doppelbrechungswerte in gestreckten Polymeren in dem System aus 3 werden die folgenden Größen eingesetzt: PEM1W1V: Die Steuerspannung des PEM 126, die für den PEM 126 bei der Wellenlänge λ₁ J₀ = 0 ergibt; und PEM2W2V: Die Steuerspannung des PEM 128, die für den PEM 128 bei der Wellenlänge λ₂ J₀ = 0 ergibt.

Wenn die Werte der in dem Aufbau 120 verwendeten Wellenlängen der zwei Lichtquellen 121, 123 nahe beieinander liegen, stellt die Verwendung von PEM1W1V und PEM2W2V wie gerade erwähnt sicher, dass einer der zwei J₀-Terme exakt auf „0" gesetzt wird, während der andere nahe „0" ist. Deshalb ist das Produkt der vier Terme in Gleichung (5.3.1) stets mit guter Näherung „0".
Mit dem somit auf Null festgelegten Produkt der vier Terme der Gleichung (5.3.1) werden die Gleichungen (91.)–(9.2) berechtigterweise zur Berechnung der Verzögerung in der 3-Ausführungsform eingesetzt. Angenommen die Doppelbrechungsstreuung des gemessenen gestreckten Polymerfilms ist vernachlässigbar bei den zwei unterschiedlichen Wellenlängen, dann ist die Beziehung zwischen der tatsächlichen Verzögerung und der gemessenen Verzögerung für die ersten einzelnen vollen Wellenlängenzyklen: mλ1 + δ1 = mλ2 + δ2 wenn (δ1 – δ2) >= 0 mλ1 + δ1 = (m – 1)λ2 + δ2 wenn (δ1 – δ2) < 0 Glg. (10),wobei λ₁ und λ₂ (λ₁ < λ₂) die zwei Wellenlängen der Lichtquellen 121, 123 sind; δ₁ und δ₂ die gemessenen Verzögerungswerte nach der vollständigen Wellenlängenumwandlung bei λ₁ bzw. λ₂ sind; m eine ganze Zahl (m >= 0) ist, welche die Zahl der vollen Wellenlängen der in der tatsächlichen Verzögerung enthaltenen kürzeren Wellenlängen darstellt.
Aus Gleichung (10) kann m berechnet werden zu: m = (δ1 – δ2)/(λ2 – λ1) wenn (δ1 -δ2) >= 0, oder m = [(δ1 – δ2) + λ2]/(λ2 – λ1) wenn (δ1 – δ2) < 0 Glg. (11)
Die tatsächliche Verzögerung der Probe 136 ist dann festgelegt durch:
Wenn zwei Wellenlängen (λ₁ und λ₂) für die Verzögerungsmessung verwendet werden, sind die auf diesen Wellenlängen basierenden möglichen Messungen in dem Graphen der 5 als durchgezogene Linie 60 bzw. gestrichelte Linie 62 veranschaulicht. Das heißt, 5 zeigt mögliche Verzögerungsmessungen des 3-Systems, in dem zwei He-Ne-Laser eingesetzt werden, die bei den Wellenlängen 543,5 nm bzw. 632,8 nm arbeiten. Der Graph der 5 veranschaulicht das Verhältnis zwischen den gemessenen Verzögerungswerten bei 543,5 nm und 632,8 nm und der tatsächlichen Verzögerung im Bereich von 0 bis ungefähr 4.300 nm.
Durch Verwenden der in 5 veranschaulichten Daten kann man Werte für „m" unter Verwendung der Gleichung (11) berechnen und bestimmen, wobei die Ergebnisse dieser Berechnung in 7 dargestellt sind.
Zurück in 5 stellen die zwei Kurven 60, 62 Verzögerungswerte, die unter Verwendung der zwei gewählten Wellenlängen gemessen werden können, in dem Bereich von 0–4.300 nm dar. Nach sieben Zyklen der λ1-Kurve (543,5 nm) und sechs Zyklen der λ2-Kurve (632,8 nm) sind die zwei Kurven nahe daran, einander zu überlappen, wobei jedoch die λ1-Kurve um 7,7 nm (543,5 × 7 – 632,8 × 6 = 7,7) führt. Nach 14 Zyklen der λ1-Kurve und 12 Zyklen der λ2-Kurve kommen sich die zwei Kurven wieder nahe, wobei jedoch die λ1-Kurve um 15,4 nm vor der λ2-Kurve führt. Ähnlich wird die λ1-Kurve um 23,1 nm (3 × 7,7 nm) vor der λ2-Kurve nach drei Umläufen dieses kombinierten Sieben/Sechs-Zyklusverlaufs führen.
Dieser Sieben/Sechs-Zyklus setzt sich fort, wobei jeder Zyklus eindeutig ist (d.h. ohne Überlappung mit resultierender Mehrdeutigkeit in den gemessenen Daten). Folglich kann die tatsächliche Verzögerung für jeden Sieben/Sechs-Zyklus bestimmt werden, indem Gleichungen verwendet werden, die sich nur geringfügig von Gleichung (12) unterscheiden. Deshalb ist die obere Verzögerungsgrenze dieses Verfahrens, die von den Werten der zwei gewählten Wellenlängen abhängt, das Produkt der zwei Wellenlängen λ1 und λ2 (543,5 × 632,8 = 343.926,8).
Es ist bemerkenswert, dass, da die Wellenlängen der He-Ne-Gaslaser 121, 123 durch atomare Elektronenübergänge bestimmt werden, die getrennten Wellenlängenausgänge der Gaslaser äußerst genau sind. Die obere Verzögerungsgrenze dieses Verfahrens ist gewöhnlich ein Produkt der zwei Wellenlängen, was somit sehr hohe Verzögerungsmessgrenzen liefert. In der Praxis bestimmen Messfehler die oberen Verzögerungsgrenzen. Wenn zum Beispiel das Messsystem einen Fehler aufweist, der nahe an oder größer als 7,7 nm in dem Beispiel oben ist, macht es der experimentelle Fehler unpraktikabel, zwischen dem ersten und zweiten Sieben/Sechs-Zyklus zu unterscheiden. Die Verzögerungsgrenze wird dann ungefähr 3.800 nm betragen.
Wenn das He-Ne-Laserpaar 121, 123 so gewählt wird, so dass λ1 611,8 nm beträgt und λ2 sehr nahe daran liegt, zum Beispiel 632,8 nm (wobei dieses gewöhnlich verwendete Laser sind), würden sich die Kurven nach 30 Wellenlängenzyklen von 611,8 nm und 29 Zyklen von 632,8 nm innerhalb von 16 nm annähern, was in dem PEM-basierten Doppelbrechungsmesssystem der vorliegenden Erfindung für hohe Werte noch unterscheidbar ist. Selbst ohne Erweiterung auf den zweiten 30/29- Wellenlängenzyklus würde die Verzögerungsobergrenze wenigstens ungefähr 18.000 nm betragen (632,8 × 29 = 18,351).
Entsprechend kann man durch richtige Auswahl der Laserpaare praktische Verzögerungsobergrenzen von einigen tausend Nanometer bis zehntausende Nanometer erreichen. Des Weiteren kann man in dem seltenen Fall, in dem das Laserpaar mehrdeutige Ergebnisse liefert, einen dritten Laser verwenden, um die Messergebnisse zu unterscheiden und den Messbereich zu erweitern.
Es ist ebenfalls möglich, ein Wellenlängenpaar für jede Lichtquelle 121, 123 auszuwählen, die ein Quotient ihrer ganzem Zahlen sind. Zum Beispiel könnte man die zwei Wellenlängen mit einem genauen 6-zu-5-Verhältnis auswählen. In solchen Fällen wiederholt sich der Sechs/Fünf-Wellenlängenzyklus exakt. In diesem Fall beträgt die obere Verzögerungsgrenze genau fünfmal die längere Wellenlänge (oder sechsmal die kürzere Wellenlänge).
Ein He-Ne-Laserpaar bestehend aus roter (632,8 nm) und gelber (587,6 nm) Wellenlänge liefert einen nahezu exakten 13-zu-14-Wellenlängenzyklus (13 × 632,8 = 8.226,4; 14 × 587,6 = 8.226,4). Daher weist ein Doppelbrechungsmesssystem für hohe Werte, das unter Verwendung dieses Laserpaars gebaut ist, eine obere Verzögerungsgrenze von 8.226 nm auf. Praktisch wäre man auf die Unterscheidung von Verzögerungswerten innerhalb des Verzögerungsbereichs von 0–8.226,4 nm bei Verwendung eines solchen Systems beschränkt.
Es ist hier bemerkenswert, dass, obwohl eine Lichtquelle 122 oben als zwei beinhaltende getrennte Laser 121, 123 beschrieben wurde, andere Lichtquellenkonfigurationen in dieser Ausführungsform in Erwägung gezogen werden. Zum Beispiel kann ein einzelner Laser, der zwei verschiedene Wellenlängen erzeugt, verwendet werden. Ein solches Beispiel könnte ein einstellbarer Diodenlaser sein. Ein anderes Beispiel ist ein HeCd-Laser, der in der Lage ist, zwei Strahlen von 325 nm und 442 nm Wellenlängen zu erzeugen. Luftgekühlte Ionenlaser, die gleichzeitig zwei oder drei Ausgangsstrahlen bei zum Beispiel 488 nm, 568 nm und 647 nm erzeugen, können ebenfalls eingesetzt werden.
Als eine andere Alternative könnte die Lichtquelle 122 eine Breitbandlampe mit dazugehöriger Kollimatoroptik sein. Die Breitbandlichtquelle (wie zum Beispiel eine Quecksilber-, Xenon- oder Deuteriumlampe) würden mit einem Filterrad oder Filterrädern kombiniert werden, um die gewünschten Wellenlängen zu selektieren. Unterschiedliche optische Filterarten, einschließlich Hochpass-, Tiefpass- und Bandpassfilter, können in dem Filterrad verwendet werden. Eine Kombination an Filterrädern kann eingesetzt werden, wenn erforderlich.
Es ist ebenso zu erwägen, dass optische Fasern verwendet werden könnten, das Licht von der Quelle zu anderen Komponenten (zum Beispiel dem Polarisator 124 und dem PEM 126) des Aufbaus 120 zu leiten.
Es ist ebenfalls zu erwägen, dass alternative Detektorenanordnungen verwendet werden können. Zum Beispiel könnte mit Bezug auf 3 der von dem Analysator 130 ausstrahlende Strahl 127 durch ein Prisma oder eine andere Farbe (Wellenlänge) trennende Vorrichtung geleitet werden, um so den Strahl in zwei Strahlen mit zwei Wellenlängen von Interesse zu trennen. Die zwei getrennten Strahlen werden dann einzeln zu den Detektoren 132, 137 geleitet.
Es ist bemerkenswert, dass bei den gestreckten Polymerfilmen der Grad der immanenten Verzögerung erheblich über eine sehr kurze Entfernung des Films variieren kann. Zum Beispiel können, abhängig von dem Grad der auf den Film angewendeten Streckung (gewöhnlich ausgedrückt als ein Verhältnis oder „Streckungsfaktor", wie zum Beispiel 5 zu 1), die gemessenen Verzögerungswerte um bis zu hunderte Nanometer innerhalb von ein paar Millimetern der Messstellen auf dem Film schwanken. Entsprechend müssen die zwei Strahlen, die den zusammengesetzten Strahl 127 ausmachen, exakt im Raum ausgerichtet sein (das heißt, sie weisen eine gemeinsame Mittelachse und Strahlendurchmesser auf), um Fehler zu vermeiden, die anderweitig verursacht werden können, wenn die Strahlen bei der Ausbreitung durch eine Probe, die die steilen Veränderungen bei den Verzögerungswerten wie gerade erwähnt aufweist, etwas auseinander laufen. Überdies ist es in Fällen, in denen der Film relativ zu dem Strahl bewegt wird, wesentlich, sicherzustellen, dass sich die Strahlkomponenten in einer ganzheitlichen gleichzeitigen Art und Weise (anstatt sequentiell) fortbewegen, um sicherzustellen, dass beide Komponenten des Strahls dieselbe Stelle auf der Probe zu derselben Zeit treffen.
Zurück in 2 wird ein Computer 48 verwendet, um die Auswahl der Wellenlängen von der (den) Lichtquelle(n) zu steuern und zu koordinieren, sowie die PEM auf einem optimalen Niveau zur Doppelbrechungsmessung anzusteuern, durch die oben beschriebenen Detektionsverarbeitungskomponenten zurückgegebene Daten zu erfassen und die Endergebnisse zu berechnen. Der Computer umfasst eine Anzeige zur Darstellung der Verzögerungsergebnisse, die ebenfalls zur späteren Verwendung aufgezeichnet werden. Warn- und Prozesssteuerungskomponenten können ebenfalls in Fällen an den Computer angeschlossen sein, in denen Abweichungen von erwarteten Doppelbrechungswerten Änderungen des Polymerfilmherstellungsprozesses erfordern können.
Eine aus einer Zahl an Variationen zur Anzeige der gemessenen Daten ist ausreichend. Die Ergebnisdaten können geeignet und interaktiv angezeigt werden. Es ist ebenfalls offensichtlich, dass dem Benutzer des Systems geeignete Benutzereingabemittel zum Einstellen von Betriebsparametern des Systems zur Verfügung stehen (Abtastbegrenzungen, Rasterabstände, Probendicke, Probenbewegungsgeschwindigkeit, etc.).
Während die vorliegende Erfindung im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von den Lehren und dem Sinn des Vorangehenden abzuweichen. Zum Beispiel kann ein Einzel-PEM-, Einzeldetektorsystem, wie zum Beispiel in dem US-Patent Nr. 6,473,179 beschrieben (hierin nachstehend das „179-System" und hiermit durch Bezugnahme umfasst), und unter Verwendung eines der dort beschriebenen zwei Erfassungskanäle sowie eine wie oben beschriebene Doppelwellenlängenlichtquelle zur Verzögerungsmessung von gestreckten Polymerfilmproben verwendet werden, in denen der Winkel der schnellen Achse bekannt und mit dem Bezugswinkel des 179-Systems ausgerichtet ist.
Schließlich ist es wert zu erwähnen, dass, wenn das System für die Messung beschriebener hoher Doppelbrechungswerte verwendet wird (basierend auf der Kenntnis des Winkels der schnellen Achse einer gestreckten Polymerprobe), eine Korrektur in der Situation angewendet werden muss, wenn keine Probe in dem Aufbau vorhanden ist oder wenn die Probe einen äußerst niedrigen Verzögerungswert aufweist. Der gemessene Winkel der schnellen Achse wird nahezu zufällig bei niedrigen Verzögerungswerten, die sich dem Rauschpegel des Systems annähern. Wenn es nicht richtig korrigiert wird, würde das unkorrigierte System einen sehr niedrigen Verzögerungswert anzeigen, wenn der Winkel der schnellen Achse nahe „0" Grad ist und ei nen Verzögerungswert, der nahe der vollen Wellenlänge der Lichtquelle ist, wenn der Winkel der schnellen Achse nahe 90 Grad ist. Dementsprechend vergleicht das Computerprogramm zur Durchführung der oben beschriebenen Berechnungen die bei beiden Wellenlängen gemessenen Verzögerungswerte und, falls diese Werte äußerst klein sind, ignoriert es den Winkel der schnellen Achse in der Messung.
Schließlich können, falls die gemessene Doppelbrechungsdispersion des gestreckten Polymerfilms bei den zwei unterschiedlichen Wellenlängen signifikant ist, die Gleichungen 10–12 leicht modifiziert werden, um dem Dispersionseffekt Rechnung zu tragen.
Zusammenfassung der Offenbarung
Bereitgestellt werden Verfahren zur Bestimmung des Doppelbrechungswerts von optischem Material, wie zum Beispiel Polymerfilm. In einer Ausführungsform verwendet das Verfahren einen Aufbau aus optischen Komponenten, der einen bekannten Systembezugswinkel aufweist. Die Probe ist ein gestreckter Polymerfilm, der einen Winkel der schnellen Achse aufweist, die eine vorgegebene Ausrichtung in der Probe hat. Das System wird betrieben, um die Richtung der schnellen Achse der Probe mit dem Bezugswinkel des Systems auszurichten und den Doppelbrechungswert an einer Stelle der Probe zu messen. Als ein Gesichtspunkt der Erfindung werden Ausführungsformen und Verfahren zur exakten Bestimmung des Doppelbrechungswerts über einen weiten Bereich und bis zu zehntausende Nanometer beschrieben.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Doppelbrechungswerts einer Probe aus optischem Material unter Verwendung eines Aufbaus aus optischen Komponenten, der einen bekannten Systembezugswinkel aufweist, worin die Probe einen Winkel der schnellen Achse mit einer vorgegebenen Ausrichtung in der Probe aufweist und das Verfahren die Schritte umfasst: Ausrichten der Richtung der schnellen Achse der Probe auf den Bezugswinkel des Systems; und Messen des Doppelbrechungswerts an einer Stelle auf der Probe.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Messung das separate Leiten eines ersten Strahls polarisationsmodulierten Lichts mit einer ersten Wellenlänge und eines zweiten Strahls polarisationsmodulierten Lichts mit einer zweiten Wellenlänge durch die Probe umfasst, wobei die erste und zweite Wellenlänge unterschiedlich sind.
Verfahren gemäß Anspruch 2, worin die erste und zweite Wellenlänge derart gewählt werden, um eindeutige Doppelbrechungsmessung bei Werten größer als eine volle erste Wellenlänge bereitzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, worin die erste und zweite Wellenlänge derart gewählt werden, um eindeutige Doppelbrechungsmessung bei Werten in dem Bereich von Null bis mehrere Vielfache der ersten oder zweiten Wellenlänge bereitzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, worin die erste und zweite Wellenlänge derart gewählt werden, um eindeutige Doppelbrechungsmessung bei Werten in dem Bereich von Null bis ungefähr 4.300 nm bereitzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, worin die erste und zweite Wellenlänge derart gewählt werden, um eindeutige Doppelbrechungsmessung bei Werten in dem Bereich von Null bis ungefähr 18.000 nm bereitzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, worin die erste und zweite Wellenlänge derart gewählt werden, ein vorgegebenes Verhältnis zueinander zu haben.
Verfahren gemäß Anspruch 2 umfassend den Schritt, den ersten und zweiten Strahl durch dieselbe Stelle auf der Probe zu leiten.
Verfahren gemäß Anspruch 8, worin das Leiten die Anordnung eines Teilreflexionselements zwischen zwei diskreten Lichtquellen und der Probe umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 9 umfassend den Schritt, die zwei Strahlen zu trennen, nachdem die Strahlen die Probe durchlaufen.
Verfahren gemäß Anspruch 9 umfassend den Schritt, den ersten und zweiten Strahl gleichzeitig durch dieselbe Stelle in der Probe zu leiten.
Verfahren gemäß Anspruch 1 umfassend den Schritt, die Probe für eine Bewegung relativ zu den Strahlen zu halten.
Verfahren gemäß Anspruch 1 umfassend den Schritt, einen gestreckten Polymerfilm als Probe bereitzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 2, worin die Messung das separate Leiten eines dritten Strahls polarisationsmodulierten Lichts mit einer dritten Wellenlänge umfasst, wobei die erste, zweite und dritte Wellenlänge unterschiedlich sind.
System zur Messung von Doppelbrechungswerten in einer Probe aus optischem Material, das einen Winkel der schnellen Achse mit einer bekannten Ausrichtung aufweist, umfassend: eine Quelle aus zwei oder mehr Lichtstrahlen mit entsprechender ersten und zweiten Wellenlänge, die voneinander verschieden sind; einen Polarisationsmodulator zur Modulation der Polarisation der Lichtstrahlen; einen Probenträger zum Halten der Probe mit dem Winkel ihrer schnellen Achse in einer vorgegebenen Ausrichtung; und Messmittel zum Leiten der Strahlen durch die Probe und Berechnen des Doppelbrechungswerts der Probe.
System gemäß Anspruch 15, worin die Quelle zwei diskrete Laser umfasst.
System gemäß Anspruch 15, worin die Quelle einen einzelnen Laser umfasst, der in der Lage ist, zwei oder mehr Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen zu erzeugen.
System gemäß Anspruch 15, worin die Quelle eine geeignet gefilterte Breitbandlampe ist.
System gemäß Anspruch 15, worin das Messmittel Auswahlmittel umfasst, um eindeutige Doppelbrechungsmessung bei Werten größer als eine volle zweite Wellenlänge bereitzustellen.
System gemäß Anspruch 15, worin das Messmittel Auswahlmittel umfasst, um eindeutige Verzögerungsmessung bei Werten in dem Bereich von Null bis mehrere Vielfache der zweiten Wellenlänge bereitzustellen.
System gemäß Anspruch 15, worin das Messmittel Auswahlmittel umfasst, um eindeutige Verzögerungsmessung bei Werten in dem Bereich von Null bis ungefähr 4.300 nm bereitzustellen.
System gemäß Anspruch 15, worin das Messmittel Auswahlmittel umfasst, um eindeutige Verzögerungsmessung bei Werten in dem Bereich von Null bis ungefähr 18.000 nm bereitzustellen.
System gemäß Anspruch 15, worin die Probe ein gestreckter Polymerfilm ist.