KR100231105B1 - 복굴절률 측정장치의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 복굴절률 측정장치의 제어방법은, 복굴절률 측정장치를 초기화시키는 단계; 복굴절률 측정장치를 정상 가동시키기 위한 각종 설정치 및 제어명령을 입력시키는 단계; 복굴절률 측정장치를 가동하여 광원으로부터 측정 대상물에 광을 조사하는 단계; 광원으로부터의 입사광의 세기와 상기 측정 대상물을 투과한 광의 세기를 측정하는 단계; 측정된 입사광의 세기 및 투과광의 세기에 의해 광지연도(위상차)를 계산하는 단계; 계산된 광지연도(위상차)에 의해 상기 측정 대상물에 대한 복굴절률을 구하는 단계; 및 구해진 복굴절률을 실시간으로 화면에 디스플레이 및 메모리에 저장하는 단계를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 측정 대상물(예컨대, 필름)의 제조현장에서 온-라인으로 복굴절률을 측정하여 화면에 실시간으로 디스플레이할 수 있으며, 정지된 시료의 복굴절률 측정은 물론 빠른 속도로 이동하는 시료의 복굴절률도 거의 실시간으로 구할 수 있는 장점이 있다.

Description

복굴절률 측정장치의 제어방법

본 발명은 복굴절률 측정장치의 제어방법에 관한 것으로서, 특히 복굴절률 측정장치를 제어하여 필요한 데이터를 얻고, 그 얻어진 데이터를 이용하여 복굴절률을 계산하며, 그것을 실시간으로 화면에 디스플레이할 수 있는 복굴절률 측정장치의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 고분자 필름은 용융사출 및 연신공정으로 제조된다. 즉, 건조된 고분자 칩은 용융되어 멜트-다이(melt-die)를 거쳐 사출된 후, 적당히 냉각되어 시트(sheet)로 만들어지고 1축 연신, 2축 연신을 포함하는 다단계의 연신, 열처리 및 안정화 공정을 거쳐 제조된다. 이때, 순수한 무정형 고분자라 할지라도, 이 제조과정을 거치면서 외부의 변형에 의해 어느 정도 결정성을 지니게 된다. 균일하고 변형되지 않은 물질 내에서 굴절률은 측정방향과 상관없이 일정하지만, 물질이 일단 변형되면 광학적으로 불균일하게 되어 굴절률은 방향성을 가지게 된다. 이와 같이 굴절률은 물질의 변형과 관계가 있다. 주축(principal axis)을 포함하는 면에 빛이 수직으로 입사되면 두 주요면을 따라 진동하는 파들의 속도가 달라져 위상차가 생기고, 파 사이의 상대적인 거리는 굴절률의 차이(복굴절률)로 표시된다. 이때, 위상차는 다음과 같은 수식으로 표시될 수 있다.

여기서, R은 광지연도(혹은 위상차), t는 두께, n₁은 제1주축에 따른 굴절률, n₂는 제2주축에 따른 굴절률, Δ는 복굴절률을 각각 나타낸다.

도 1은 종래 원형 편광기를 이용한 위상차 측정 시스템의 개략적인 장치구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래 위상차 측정 시스템은 광투과면의 수평축(x축)에 대하여 90°의 광축(Ox축)을 가지는 제1 선형 편광자(101)와, 그 제1 선형 편광자(101)의 후방(광의 진행방향을 기준으로 함)에 위치되며 패스트 축(fast axis:Fx)이 제1 선형 편광자(101)의 광축과 45°를 이루는 제1 1/4파장판(102)과, 제1 1/4파장판(102)의 후방에 위치되며 R의 광지연도를 가지는 복굴절판(103)과, 복굴절판(103)의 후방에 위치되며 패스트 축이 제1 선형 편광자(101)의 광축과 -45°를 이루는 제2 1/4파장판(104)과, 제2 1/4파장판(104)의 후방에 위치되며 수평축(x축)에 대하여 0°의 광축(Ox축)을 가지는 제1분석기(105)로 구성되어 있다.

이상과 같은 구성을 가지는 종래 위상차 측정 시스템에 있어서, 비편향 광이 상기 제1 선형 편광자(101)를 비롯한 나머지 광학 부품들을 차례로 거친 후, 최종적으로 검출기(미도시)에 도달하는 투과광의 세기는 다음과 같은 수식으로 표현될 수 있다.

여기서, I_T는 투과광의 세기, I_o는 입사광의 세기, R은 광지연도, λ는 입사광의 파장을 각각 나타낸다.

상기 수학식 1,2에서 알 수 있듯이, 입사광의 세기(I_o) 및 투과광의 세기(I_T)를 측정하면 광지연도(R)를 알 수 있고, 그 광지연도(R)를 이용하여 필름의 복굴절률(Δ)을 계산할 수 있게 된다.

도 2는 이상과 같은 복굴절률의 측정을 위해 본 발명자에 의해 제안된 바 있는 복굴절률 측정장치의 개략적인 시스템 구성도이다.

도 2를 참조하면, 복굴절률 측정장치는 측정 대상물(206)에 광을 조사(照射)하기 위한 광원으로서 파장이 632.8nm의 광을 방출하는 헬륨-네온(He-Ne) 레이저(201)와, 헬륨-네온 레이저(201)로부터 방출되는 광의 세기를 약화시키기 위한 뉴트럴 덴시티(neutral density) 필터(202)와, 뉴트럴 덴시티 필터(202)를 거쳐 입사되는 광을 동일한 비율(50:50)로 분할하여 서로 다른 2개의 방향, 예컨대 일측은 입사방향 그대로 직진시키고, 타측은 직진방향에 대하여 90°로굴절된 방향으로 진행시키는 빔 스플리터(203)와, 그 빔 스플리터(203)를 거쳐 직진하는 비편향의 광을 특정 방향의 선형 편광(linearly polarized light)으로 만들기 위한 제1 선형 편광자(204)와, 상기 빔 스플리터(203)에 의해 분할되어 진행하는 비편향의 광을 특정 방향의 선형 편광으로 만들기 위한 제2 선형 편광자(210)와, 상기 제1 선형 편광자(204)를 거친 선형 편광을 원형 편광(circularly polarized light)으로 만들기 위한 제1 1/4파장판(205)과, 그 제1 1/4파장판(205)을 거쳐 측정 대상물(206)을 투과한 광을 다시 선형 편광으로 만들기 위한 제2 1/4파장판(207)과, 그 제2 1/4파장판(207)을 거친 선형 편광의 위상차를 분석하기 위한 제1 분석기(208)와, 상기 제2 편광자(210)를 거친 선형 편광의 위상차를 분석하기 위한 제2 분석기(211)와, 상기 제1 분석기(208)를 거친 광을 검출하기 위한 제1 광검출기(209)와, 상기 제2 분석기(211)를 거친 광을 검출하기 위한 제2 광검출기(212)와, 상기 제1,제2 광검출기(209)(212)를 거쳐 입력되는 아날로그 신호를 디지탈 신호로 변환하기 위한 A/D 변환기(213) 및 그 A/D 변환기(213)로부터의 출력신호를 입력받아 기준 신호와 비교/분석하고 결과를 디스플레이하는 주제어부(214)로 구성된다. 여기서, 이 주제어부(214)는 시스템을 전체적으로 제어하는 것으로서, 시스템을 제어하고 운영하는 소정의 프로그램이 저장되어 있으며, 측정 대상물에 대한 각종 물성을 비교/분석하는 컴퓨터와, 그 분석된 결과 및 기타 측정결과를 디스플레이하는 모니터로 구성된다.

본 발명은 상기 복굴절률 측정장치를 제어하여 필요한 데이터를 얻고, 그 얻어진 데이터를 이용하여 복굴절률을 계산하며, 그것을 실시간으로 화면에 디스플레이할 수 있는 복굴절률 측정장치의 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 원형 편광기를 이용한 위상차 측정 시스템의 개략적인 장치구성도.

도 2는 본 발명에 따른 제어방법이 채용되는 복굴절률 측정장치의 개략적인 시스템 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 복굴절률 측정장치의 제어방법의 실행과정을 나타내 보인 플로우 챠트.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

101,204...제1 선형 편광자 102,205...제1 1/4파장판

103...복굴절판 104,207...제2 1/4파장판

105...제1분석기 201...광원(헬륨-네온 레이저)

202...뉴트럴 덴시티 필터 203...빔 스플리터

206...측정 대상물 208...제1 분석기

209...제1 광검출기 210...제2 선형 편광자

211...제2 분석기 212...제2 광검출기

213...A/D 변환기 214...주제어부

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 복굴절률 측정장치의 제어방법은, 복굴절률 측정장치를 초기화시키는 단계; 상기 복굴절률 측정장치를 정상 가동시키기 위한 각종 설정치 및 제어명령을 입력시키는 단계; 상기 복굴절률 측정장치를 가동하여 광원으로부터 측정 대상물에 광을 조사하는 단계; 상기 광원으로부터의 입사광의 세기와 상기 측정 대상물을 투과한 광의 세기를 측정하는 단계; 상기 측정된 입사광의 세기 및 투과광의 세기에 의해 광지연도(위상차)를 계산하는 단계; 상기 계산된 광지연도(위상차)에 의해 상기 측정 대상물에 대한 복굴절률을 구하는 단계; 및 상기 구해진 복굴절률을 실시간으로 화면에 디스플레이 및 메모리에 저장하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 측정 대상물(예컨대, 필름)의 제조현장에서 온-라인으로 복굴절률을 측정하여 화면에 실시간으로 디스플레이할 수 있으며, 정지된 시료의 복굴절률 측정은 물론 빠른 속도로 이동하는 시료의 복굴절률도 거의 실시간으로 구할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 복굴절률 측정장치의 제어방법의 실행과정을 나타내 보인 플로우 챠트이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 복굴절률 측정장치의 제어방법에 따라 먼저 복굴절률 측정장치를 초기화시키게 된다(단계 301). 즉, 도 2의 복굴절률 측정장치에서 헬륨-네온 레이저(201), 제1,제2 광검출기(209)(212), A/D 변환기(213),주제어부(214)의 컴퓨터 등에 전원을 인가하여 기기를 안정화시키게 된다. 이때, 특히 일정한 세기의 레이저 빔을 얻기 위해 비교적 장시간 동안 헬륨-네온 레이저(201)를 워밍-업(warmimg-up)시킨다. 그리고, 물론 이때 복굴절률 측정장치를 운용하기 위한 소정의 실행 프로그램(예컨대, 'on-bire.exe')을 실행시키게 된다.

초기화가 완료되면, 상기 복굴절률 측정장치를 정상 가동시키기 위한 각종 설정치 및 제어명령을 입력시킨다(단계 302). 즉, 측정 대상물, 예를 들면 시료 필름의 두께, 측정 시간, 데이터 저장 시간 간격, 그 시간 간격에서 평균할 데이터의 수효, 저장 파일 이름 및 그에 따른 메시지 등을 입력한다.

모든 입력이 완료되면, 상기 복굴절률 측정장치를 가동하여 광원으로부터 측정 대상물에 광을 조사한다(단계 303). 이에 대해 도 2를 참조하여 좀 더 상세히 설명해 보기로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 헬륨-네온 레이저(201)로부터 방출된 광이 뉴트럴 덴시티 필터(202)로 입사되면, 뉴트럴 덴시티 필터(202)는 광의 세기를 어느 정도 약화시켜 통과시키게 된다. 그렇게 하여 뉴트럴 덴시티 필터(202)를 거친 광이 빔 스플리터(203)로 입사되면, 빔 스플리터(203)의 분할 작용에 의해 입사광의 50%는 입사광의 진행경로와 동일한 경로로 진행하고, 나머지 50%는 입사광의 진행경로에 대해 90°로 굴절된 방향으로 진행하게 된다. 빔 스플리터(203)를 거친 비편향의 직진광이 제1 선형 편광자(204)에 입사되면, 제1 선형 편광자(204)는 특정 진동방향의 광파만을 통과시키며, 이에 따라 비편광이 선형 편광으로 변환된다. 그리고, 이 선형 편광은 제1 1/4파장판(205)을 거치면서 다시 원형 편광으로 변환된다. 이 원형 편광이 측정 대상물(206)(필름)에 조사되어 투과된다.

이렇게 하여 광원으로부터의 광이 측정 대상물(206)에 조사되어 투과되면, 상기 광원으로부터의 입사광의 세기와 상기 측정 대상물을 투과한 광의 세기를 측정한다(단계 304). 즉, 원형 편광은 측정 대상물(206)을 투과하면서 회전 광축이 변화되고, 그 광축이 변화된 원형 편광은 제2 1/4파장판(207)을 거치면서 다시 선형 편광으로 변환된다. 그 선형 편광이 제1 분석기(208)에 입사되면, 제1 분석기(208)는 측정 대상물(206)을 투과하기 전의 선형 편광과 투과한 후의 선형 편광의 위상차를 분석한다. 그리고, 제1 분석기(208)를 거친 광이 제1 광검출기(209)에 입사되면, 광신호는 전기신호로 변환되고, 그로부터 측정 대상물(206)을 투과한 광의 세기(I_T)를 구한다.

한편, 상기 빔 스플리터(203)에 의해 입사광의 진행경로에 대해 90°로 굴절된 광이 제2 선형 편광자(210)에 입사되면, 상기 제1 선형 편광자(204)와 마찬가지로 제2 선형 편광자(210)는 특정 진동방향의 광파만을 통과시키며, 이에 따라 비편향 광이 선형 편광으로 변환된다. 이와 같은 선형 편광이 제2 분석기(211)에 입사되면, 제2 분석기(211)는 제2 선형 편광자(210)를 통과하기 전의 비편향 광과 통과한 후의 선형 편광의 위상차를 분석한다. 그리고, 제2 분석기(211)를 거친 광이 제2 광검출기(212)에 입사되면, 광신호는 전기 신호로 변환되며, 그로부터 측정 대상물(206)을 투과하지 않은 입사광의 세기(I_o)를 구한다.

이와 같이 입사광의 세기(I_o) 및 투과광의 세기(I_T)가 구해지면, 그 측정된 입사광의 세기(I_o) 및 투과광의 세기(I_T)에 의해 광지연도(위상차)(R)를 계산한다(단계 305). 임의의 측정 대상물에 대한 입사광의 세기(I_o) 및 투과광의 세기(I_T)를 알 때, 그에 대한 광지연도(위상차)(R)는 상기 수학식 2, 즉

의 관계에 의해 구해진다. 물론, 이를 연산하는 알고리즘은 주제어부(214)의 컴퓨터의 CPU 내에 미리 저장되어 있으며, 실행 프로그램의 진행과 함께 자동으로 계산되어 진다.

이렇게 하여 광지연도(위상차)(R)가 계산되면, 그 계산된 광지연도(위상차) (R)에 의해 상기 측정 대상물(206)에 대한 복굴절률을 계산한다(단계 306). 임의의대상물의 광지연도(위상차)(R)와 두께(t)를 알 고 있을 때, 그 대상물의 복굴절률(Δ)은 상기 수학식 1, 즉

의 관계에 의해 구해지는 바, 이에 대한 연산 알고리즘도 상기 주제어부(214)의 컴퓨터의 CPU 내에 미리 저장되어 있어 실행 프로그램의 진행과 함께 자동으로 계산되어 진다.

이상에 의해 측정 대상물(206)에 대한 복굴절률(Δ)이 구해지면, 그것을 실시간으로 모니터 화면에 디스플레이하는 한편 컴퓨터의 메모리에 저장하게 된다( 단계 307).

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 복굴절률 측정장치의 제어방법은 측정 대상물(예컨대, 필름)의 제조현장에서 온-라인으로 복굴절률을 측정하여 화면에 실시간으로 디스플레이할 수 있으며, 정지된 시료의 복굴절률 측정은 물론 빠른 속도로 이동하는 시료의 복굴절률도 거의 실시간으로 구할 수 있다. 따라서, 제조물의 물성을 제조공정 현장에서 빠른 시간 내에 분석하여 제조공정에 반영할 수 있고, 그에 따라 제조물의 제조 기준치에 가장 근접된 양질의 물품을 제조할 수 있으며, 궁극적으로 제품의 경쟁력을 한층 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. (a) 복굴절률 측정장치를 초기화시키는 단계;

   (b) 상기 복굴절률 측정장치를 정상 가동시키기 위한 각종 설정치 및 제어명령을 입력시키는 단계;

   (c) 상기 복굴절률 측정장치를 가동하여 광원으로부터 측정 대상물에 광을 조사하는 단계;

   (d) 상기 광원으로부터의 입사광의 세기와 상기 측정 대상물을 투과한 광의 세기를 측정하는 단계;

   (e) 상기 측정된 입사광의 세기 및 투과광의 세기에 의해 광지연도(위상차)를 계산하는 단계;

   (f) 상기 계산된 광지연도(위상차)에 의해 상기 측정 대상물에 대한 복굴절률을 구하는 단계; 및

   (g) 상기 구해진 복굴절률을 실시간으로 화면에 디스플레이 및 메모리에 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복굴절률 측정장치의 제어방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (a)의 초기화 시 복굴절률 측정장치의 광원, 광검출기, A/D 변환기, 주제어부의 컴퓨터에 전원을 인가하여 기기를 안정화시키는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 복굴절률 측정장치의 제어방법.
3. 제 2항에 있어서,

   일정한 세기의 광을 얻기 위하여 상기 광원을 비교적 장시간 동안 워밍-업시키는 것을 특징으로 하는 복굴절률 측정장치의 제어방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (b)에서 시료의 두께, 측정 시간, 데이터 저장 시간 간격, 그 시간 간격에서 평균할 데이터의 수효, 저장 파일 이름 및 그에 따른 메시지 등을 입력시키는 것을 특징으로 하는 복굴절률 측정장치의 제어방법.

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