KR20080038785A - 복굴절 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 양태에 따른 복굴절 측정 장치는 측정 매체의 복굴절을 측정하는 복굴절 측정 장치에 있어서, 서로 다른 파장의 광을 통과시키는 복수의 밴드패스 필터를 구비하고, 상기 측정 매체를 통과한 광으로부터 상기 복수의 밴드패스 필터 중에서 하나씩 적용하여 서로 다른 파장을 갖는 광을 산출하는 광학부, 각 밴드패스 필터가 적용된 광학부에서 산출된 광에 의해 투사되는 이미지를 획득하는 이미지 획득부, 획득된 이미지에서 측정 지점의 인텐서티(Intensity)를 각각 추출하는 인텐서티 추출부 및 인텐서티를 이용하여 측정 지점에서의 경로차를 계산하는 경로차 계산부를 포함한다. 하나의 광원에 다수개의 밴드패스 필터를 이용함으로써 광범위한 범위에서의 복굴절을 측정 및 제품내의 복굴절 분포를 측정할 수 있다.
복굴절(Birefringence), 복굴절 측정, 밴드패스 필터(Band pass filter)

Description

복굴절 측정 장치 및 방법{System and method of birefringence measurement}
도 1은 종래 기술에 따른 단일 파장 광원에 의한 인텐서티(Intensity)를 변화를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 장치에 있어 광학부의 구성도이다.
도 4는 R, G 및 B 파장 레이저 광원에 의해 획득된 기준 데이터를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 장치에서 밴드패스 필터를 제외한 광학계에 광원을 조사하여 얻어진 이미지를 보여주는 도면이다.
도 6a는 R 밴드패스 필터를 적용하고 이를 그레이 스케일로 변환하여 얻은 이미지이며, 도 6b는 G 밴드패스 필터를 적용하고 이를 그레이 스케일로 변환하여 얻은 이미지이고, 도 6c는 B 밴드패스 필터를 적용하고 이를 그레이 스케일로 변환하여 얻은 이미지이다.
도 7a는 도 6a의 이미지에서 인텐서티를 추출하여 나타낸 도면이고, 도 7b는 도 6b에서 인텐서티를 추출하여 나타낸 도면이며, 도 7c는 도 6c에서 인텐서티를 추출하여 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7a, 7b 및 7c에서 추출된 인텐서티 데이터를 이용하여 경로차를 계산한 결과를 보여주는 도면이다.
도 9는 종래 기술에 의한 경로차와 본 발명의 일 실시예에 따른 경로차를 각각 보여주는 도면이다.
도 10a는 사출 성형에 의해 성형된 렌즈에 대해 백색광의 광원이 광학계를 통과하여 획득된 이미지이며, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 장치에 의한 렌즈의 경로차(Retardation) 분포를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 방법의 흐름도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 설명*
200: 광학부 210: 이미지 획득부
220: 인텐서티 추출부 230: 인텐서티 보정부
240: 경로차 계산부 250: 복굴절 계산부
260: 기준 데이터 생성부 310: 광원
320: 제1 편광판 330: 제1 1/4 파장판
340: 측정 매체 350: 제2 1/4 파장판
360: 제2 편광판 370: 밴드패스 필터
380: 회전판 500: S 영역
본 발명은 복굴절 측정 장치 및 방법로서, 복굴절 측정에 있어 각각 파장이 다른 광을 통과시켜 복굴절을 측정하는 복굴절 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
복굴절이란 하나의 매질로부터 다른 매질로 진입하는 파동이 그 경계면에서 나가는 방향을 바꾸는 현상으로 등방성 매질에서 이방성 매질로 나아갈 때는 경계면에서 굴절파가 두 개로 나뉘어 굴절하게 되는 것을 복굴절이라 한다. 이러한 복굴절은 등방성 물질이 아닌 이방성 물질에서 주로 나타나며, 등방성 물질이라도 변형이 일어나거나 외부의 응력에 의해 이방성을 가지면서 복굴절이 발생할 수 있다.
정보 저장 매체인 광 저장 매체와 카메라폰 등에 사용되는 플라스틱 렌즈들 렌즈들은 사출성형 또는 사출/압축 성형에 의해 대량으로 제조된다. 이러한 제품에서는 성형 공정인 사출, 보압 및 냉각 과정을 거치면서 유동 및 열에 의하여 응력이 유발되고 유발된 응력이 이완되지 못하고 굳어짐으로서 잔류 응력이 발생할 수 있다. 이와 함께 유동 및 열에 의하여 고분자의 방향성이 생겨나고 냉각에 의해 굳어짐으로 인해서 잔류하는 복굴절이 발생할 수 있다.
특히 잔류 복굴절은 광 저장 매체와 렌즈의 기능을 저해할 수 있으므로 이를 줄이려는 시도가 이루어지고 있는 실정이다. 복굴절을 줄이려는 시도에 앞서 먼저 복굴절을 정확히 측정할 필요가 있다. 특히, 대량으로 제조되는 제품에 대하여 복굴절을 짧은 시간 동안 간편하게 측정하고, 복굴절이 크게 나오는 지역뿐만 아니라 복굴절이 작은 지역에도 정확히 측정할 수 있는 방법 또는 장치가 요구된다.
종래 기술의 위상 이동법(Phase shifting method)은 편광판 또는 1/4 파장 판(Quarter-wave plate)을 회전시키면서 그 회전에 의해 발생되는 이미지의 프린지(Fringe) 패턴을 분석함으로써 복굴절을 측정하였다.
하지만, 이러한 위상이동법은 편광판 또는 1/4 파장판을 회전시키는 기계적인 작동부와 회전시킨 후 이미지를 획득 및 처리를 위한 타이밍 장치가 별도로 추가되어 비용이 높아지게 되며, 단파장의 레이저광을 사용하여 측정시간이 길어지는 문제가 있었다.
도 1은 종래 기술에 따른 단일 파장 광원에 의한 인텐서티(Intensity)를 변화를 보여준다. 종래에 사용되는 광원으로 단파장의 레이저광을 사용하는 경우에는 도 1에서와 같은 레이저광의 파장에 따라 주기적인 변화를 가지는 인텐서티(Intensity) 그래프를 발생시킬 수 있다.
다만, 검출된 인텐서티에 대응되는 경로차가 도 1에서와 같이 여러 개 있을 수 있다. 예를 들어, 표준 인텐서티가 0.5로 측정되는 경우에 이에 해당하는 경로차는 도 1의 A, B 및 C 점에 대응되는 경로차를 가질 수 있다. 그리하여 하나의 인텐서티 데이터에 의해서는 측정 지점에서의 경로차를 결정할 수 없는 문제가 있었다.
이러한 문제를 회피하기 위해 단파장의 레이저 광원에 의해서 복굴절을 측정하는 종래 기술로는 레이저 광의 파장의 1/2 또는 1/4 경로차의 범위까지만 복굴절을 측정할 수 있게 하였고, 경로차가 커지는 경우에는 복굴절을 측정할 수 없었다.
이와 함께, 측정된 인텐서티가 싸인 함수의 골 또는 마루 근방에 있는 경우에는 이를 정확하게 분해하기 힘들기에 정확성이 떨어지는 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 안출된 것으로서, 각 파장에 따른 다수개의 광원이 아닌 하나의 광원에 다수개의 밴드패스 필터를 이용함으로써 복굴절을 측정하는 것을 목적으로 한다.
이와 함께, 복굴절의 측정의 범위를 광원의 파장에 상관없이 복굴절이 높은 범위에까지 확장시키는 것을 목적으로 한다.
또한 제품의 하나의 지점에 대해 각각 복굴절을 측정할 뿐만 아니라 제품 전체의 복굴절 측정 및 복굴절의 분포를 측정하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 양태(Aspect)에 따른 복굴절 측정 장치는 측정 매체의 복굴절을 측정하는 복굴절 측정 장치에 있어서, 서로 다른 파장의 광을 통과시키는 복수의 밴드패스 필터를 구비하고, 상기 측정 매체를 통과한 광으로부터 상기 복수의 밴드패스 필터 중에서 하나씩 적용하여 서로 다른 파장을 갖는 광을 산출하는 광학부; 상기 각 밴드패스 필터가 적용된 광학부에서 산출된 광에 의해 투사되는 이미지를 획득하는 이미지 획득부; 상기 획득된 이미지에서 측정 지점의 인텐서티(Intensity)를 각각 추출하는 인텐서티 추출부; 및 상기 인텐서티를 이용하여 측정 지점에서의 경로차를 계산하는 경로차 계산부를 포함한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 양태에 따른 복굴절 측정 방법은 측정 매체의 복굴절을 측정하는 복굴절 측정 방법에 있어서, (a) 서로 다른 파장의 광을 통과시키는 복수의 밴드패스 필터를 구비하고, 상기 측정 매체를 통과한 광으로부터 상기 복수의 밴드패스 필터 중에서 하나씩 적용하여 서로 다른 파장을 갖는 광을 산출하는 단계; (b) 상기 산출된 광에 의해 투사되는 이미지를 획득하는 단계; (c) 상기 획득된 복수의 이미지에서 측정 지점의 인텐서티(Intensity)를 각각 추출하는 단계; 및 (d) 상기 인텐서티를 이용하여 측정 지점에서의 경로차를 계산하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 장치의 블록도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 장치에 있어 광학부의 구성도이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 장치는 광학부(200), 이미지 획득부(210), 인텐서티 추출부(220), 인텐서티 보정부(230), 경로차 계산부(240), 복굴절 계산부(250) 및 기준 데이터 생성부(260)를 포함 할 수 있다.
광학부(200)는 광원(310)에 의해 조사되는 광을 원편광 시켜 측정 매체에 통과시키고 최종적으로 직선 편광시켜 나오게 하는 역할을 한다. 광학부에는 광원(310)으로부터 제1 편광판(320), 제1 1/4 파장판(330), 제2 1/4 파장판(350), 제2 편광판(360) 및 밴드패스 필터(370) 순서로 배치된다. 다만, 광학부(200)의 광학 요소들의 배치는 고정된 것이 아니라 밴드패스 필터를 포함하고 산출되는 광의 인텐서티가 파장의 함수로 나타낼 수 있는 광학 어레이(Array)를 포함할 수 있다.
광원(450)은 하나의 파장을 가진 레이저와 같은 단파장의 소스가 아니라 복수의 파장을 가진 소스이다. 예를 들어, 광원이 백색광이라면 가시광선의 모든 파장의 빛이 균일하게 포함된 소스이며 R(적색, 632.8 nm), G(녹색, 540.07 nm) 및 B(청색, 452.56 nm)의 파장을 가진 소스를 조합하여 백색광을 생성할 수 있다.
측정 매체(340)는 복굴절이 있는 매체로써 광원이 투과될 수 있는 모든 매체를 포함한다.
편광판(320, 360)은 일정한 방향성을 지닌 광을 통과시키는 역할을 하며, 측정 매체를 기준으로 양측부에 한 쌍으로 배치된다. 제1 편광판(320)은 수평 성분의 광을 통과시켜 수평 편광을 생성한다. 제1 편광판과 90°각도를 이루는 제2 편광판(360)은 수직 성분의 광을 통과시켜 수직 편광을 시키며, 만일 제1 편광판과 제2 편광판 사이에 어떠한 물체도 없다면 제2 편광판을 통하여 나오는 광이 소광상태 일 수 있다.
1/4 파장판(330, 350)은 측정 매체의 양측부에 각각 하나씩 배치되어 원편광으로 만들어 복굴절의 강도값만을 측정할 수 있게 하는 역할을 한다. 1/4 파장판은 빠른축과 느린축에 대하여 위상차가 π/2 가 되도록 한다. 제1 1/4 파장판(330)은 제1 편광판과 45°를 이루어, 주축 방향에 대해 45°기울어진 진동면을 갖는 진선 편광이 입사되어 원평광을 이루게 된다. 제2 1/4 파장판(350)은 제1 1/4 파장판과 90°를 이루어 빠른축과 느린축에 대하여 위상차가 -π/2 가 되게 한다. 이와 같은 원편광 광학계는 투과율이 일정할 경우 간단하게 평균 굴절이나 평균 경로차를 빠른 시간내에 측정할 수 있는 장점이 있다.
밴드패스 필터(370, 372, 374)는 복수의 파장이 포함된 광원에서 하나의 파장을 가지는 광으로 걸려주는 역할을 한다. 예를 들어, 밴드패스 필터(370)가 R(적색) 파장을 가지는 광을 통과시키는 경우에는 밴드패스 필터를 통과한 광원에는 적색 파장을 가지는 광이 된다. 이는 밴드패스 필터를 통과한 광원은 단파장을 가지는 광이 되므로 단파장의 레이저를 광원으로 하는 것과 흡사한 효과를 지닐 수 있다.
따라서 예를 들어 도 3에서와 같이 632.8 nm 파장의 광을 통과시키는 R 파장 밴드패스 필터(370), 540.07 nm 파장의 광을 통과시키는 G 파장 밴드패스 필터(372) 및 452.56 nm 파장의 광을 통과시키는 B 밴드패스 필터(374)를 포함할 수 있다. 따라서 R 파장 밴드패스 필터(370)를 적용하는 경우에는 밴드패스 필터를 사용하지 않고 R 파장의 레이저 광원을 사용하는 경우와 동일한 결과를 얻을 수 있다.
이와 같이 단일 파장을 지닌 다수의 광원을 사용하지 않고도 하나의 광원에 밴드패스 필터(370, 372, 374)를 복수개 적용함으로써 다수개의 단파장 광원을 사용하는 것과 동일한 작용을 할 수 있다. 밴드패스 필터를 복수개 적용한다는 의미는 복수개의 밴드패스 필터를 광학계에 한꺼번에 적용하는 것이 아니라, 한 번에 하나의 밴드패스 필터를 광학계에 적용하고 이를 밴드패스 필터를 각각 달리하여 적용시키는 것을 말한다.
복수의 밴드패스 필터를 각각 적용시키기 위하여 회전판(380) 등에 의하여 밴드패스 필터의 위치를 바꿔주거나 또는 사용자에 의해 인위적으로 밴드패스 필터 를 교체하여 줄 수 있다.
본 발명에서 언급하는 R, G 및 B 파장은 하나의 예에 지나지 아니하고, 두 개 이상의 밴드패스 필터를 사용하는 것에 대하여 본 발명이 적용될 수 있다.
도 2을 참고하면, 이미지 획득부(210)는 광학부로부터 투사되는 이미지를 획득하는 역할을 한다. 이미지 획득부(210)는 이미지를 획득할 수 있는 수단인 카메라 등에 의해 이미지를 획득할 수 있다. 획득되는 이미지 개수는 각 밴드패스 필터마다 하나의 이미지가 획득되므로 적용된 밴드패스 필터의 개수와 동일하다. 예를 들어 밴드패스 필터가 세 개이면, 세 개의 이미지를 획득할 수 있다.
인텐서티 추출부(220)는 획득된 이미지에서 인텐서티(Intensity)를 각각 추출하는 역할을 한다. 인텐서티 추출부는 이미지를 흑백으로 변환하여 그레이 스케일(Gray scale) 상에서 인텐서티를 추출한다. 인텐서티는 흑색에서는 0, 백색에서는 1이 되고 회색에서는 0과 1사이의 범위를 가질 수 있다. 다만 이를 8비트의 데이터로 나타내면 0부터 255까지의 범위를 가질 수 있다.
광원(310)이 광학부(200)을 통과하여 얻어지는 이미지에서 인텐서티는 다음의 수학식 1에 의해 얻어질 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112006079561648-PAT00001
여기서, I0는 측정 매체의 투과율 등 기타 외란의 영향을 고려한 광원의 인 텐서티, I는 광학계를 통과하여 얻어진 인텐서티, Dsf는 측정 매체의 경로차이며, λ는 광원의 파장을 말한다. 수학식 1은 광학부(200)의 광학 요소의 배치가 도 3에서와 같은 경우에 적용되며, 광학 요소의 배치가 다르게 되면 수학식 1과 다른 수학식이 적용될 수도 있다.
식 1을 바탕에 두고 예를 들어 각각의 광원이 R(적, λR), G(녹, λG) 및 B(청, λB) 파장을 가지면 각각의 광원에 대하여 경로차(Dsf)와 인텐서티에 관계 식 1은 다음의 수학식 2로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112006079561648-PAT00002
여기서, IR은 R 밴드패스 필터가 광학계에 적용되어 얻어진 인텐서티, IG 와 IB는 G 밴드패스 필터와 B 밴드패스 필터가 광학계에 적용되어 얻어진 인텐서티이다.
수학식 2에서 보면, 동일한 경로차를 가지는 지점이더라도 광의 파장이 다르게 되면 인텐서티가 달라짐을 알 수 있다. 예를 들어, R, G 및 B 밴드패스 필터를 사용하면 세 개의 인텐서티 데이터를 얻을 수 있다.
따라서 복굴절을 측정하려는 지점에서는 획득된 이미지의 개수만큼 인텐서티 데이터를 얻을 수 있다.
인텐서티 보정부(230)는 추출된 인텐서티를 측정 매체의 투과율을 고려하여 인텐서티를 보정할 수 있다. 측정 매체의 투과율이 낮은 경우에는 인텐서티가 전체적으로 낮게 얻어질 수 있어 투과율 차이에 의한 인텐서티를 보정한다. 대부분의 복굴절의 측정을 위한 측정 매체는 투명하여 투과율이 높지만, 투과율이 낮아지는 경우에는 동일한 경로차에 대하여 인텐서티가 현저히 낮아질 수 있다. 따라서 기준 데이터의 인텐서티와 일치하도록 추출된 인텐서티를 보정할 수 있다.
기준 데이터는 기준 데이터 생성부(260)에 의해 각 파장을 가지는 단파장 광원에 대하여 경로차마다의 인텐서티를 생성한 데이터 또는 이미 각 파장에 대해 경로차마다의 인텐서티가 알려져 있는 데이터를 말한다. 이에 대해서는 후술하기로 한다.
측정 매체의 투과율에 따라 변동하는 인텐서티를 보정해 주기 위해서는 다양한 방법이 적용될 수 있다. 예를 들어, 투과율이 낮아져 전체적으로 인텐서티가 낮아지더라도 일정한 경로차에서는 각 파장에 따른 인텐서티 비율이 거의 일정하므로 이와 동일한 비율을 가지는 획득된 지점의 인텐서티 데이터를 추출한다. 추출된 인텐서티 데이터를 기준 데이터와 비교하여 크기가 일치하도록 전체적으로 상승 또는 하강시켜 추출된 인텐서티 데이터를 보정할 수 있다.
경로차 계산부(240)는 추출된 인텐서티 데이터를 이용하여 측정 지점에서의 경로차를 계산한다. 인텐서티의 데이터는 하나의 지점에 복수의 밴드패스 필터를 적용하여 얻어지는 것으로 복수개가 얻어진다.
예를 들어, R, G 및 B 패스 필터를 적용하는 경우에는 (IR, IG, IB)의 세 개의 인텐서티 데이터를 얻을 수 있다. 따라서 추출된 인텐서티 데이터를 이용하여 기준 데이터에서 이와 동일한 강도 데이터를 가지는 점을 검색한다.
추출된 인텐서티 데이터와 가장 유사한 기준 데이터를 검색하면, 검색된 기준 데이터가 가지는 경로차가 측정 지점의 경로차로 계산할 수 있다. 이러한 검색 방법은 추출된 인텐서티 데이터와 기준 데이터를 전부 비교하여 오차가 가장 적은 기준 데이터를 선택하거나 또는 각 파장에 따른 인텐서티가 동일한 기준 데이터를 검색하면서 최종적으로 남는 기준 데이터를 선택할 수도 있다.
복굴절 계산부(250)는 계산된 경로차(Dsf)로부터 복굴절을 계산한다. 경로차와 복굴절(Δn)의 관계는 다음의 수학식 3에 의해 정리된다.
[수학식 3]
Figure 112006079561648-PAT00003
여기서 d는 측정 매체의 두께이다.
따라서 복굴절은 경로차에 측정 지점에서의 측정 매체의 두께(d)를 나눔으로 계산될 수 있다.
기준 데이터 생성부(260)는 각 파장에 대하여 경로차의 함수로서 인텐서티 데이터를 생성한다. 기준 데이터는 추출된 인텐서티와 비교하기 위한 데이터로서 밴드패스 필터에서 투과시키는 파장의 광을 기준 데이터의 생성하는 광원으로 사용 한다.
따라서 단파장의 광원이 사용되며, 예를 들어 R, G 및 B 밴드패스 필터를 사용하는 경우에는 이와 동일한 파장의 R 파장 레이저, G 파장 레이저 광원 및 B 파장 레이저 광원에 의해 경로차마다의 인텐서티 데이터를 작성한다.
도 4는 R, G 및 B 파장 레이저 광원에 의해 획득된 기준 데이터를 나타낸 도면이다. 이러한 기준 데이터는 광학계에서 밴드패스 필터를 제외하고, 광원으로 각각의 레이저 광원을 사용한다. 이와 함께, 광학계에서는 측정 매체를 대신하여 경로차를 변화시킬 수 있는 보상기(Compensator)와 광학계에 의해 산출된 광의 인텐서티를 측정할 수 있는 검출기를 포함한다.
따라서 기준 데이터 생성부(260)는 보상기에 의하여 경로차를 증가시키면서 검출기에서 얻어지는 인텐서티를 측정하여 기준 데이터를 생성한다. 이를 각 파장에 따라 수행하여 기준 데이터를 생성할 수 있다. 이러한 기준 데이터는 이미 알려져 있는 데이터를 이용할 수도 있으며, 기준 데이터 생성부에 의해 이미 생성된 경우에는 다시 생성하지 아니하고 생성된 데이터를 이용할 수 있다.
도 4에서와 같이, 예를 들어 경로차가 400nm 인 경우에는 기준 데이터에서 나타내는 R, G 및 B 파장의 레이저에 의한 인텐서티는 각각 (46, 20, 2)의 크기를 가진다. 이는 인텐서티를 0에서 255의 범위의 8비트의 값으로 나타냈을 때의 데이터이다. 따라서 400nm 경로차를 가지는 측정 매체에 대해서는 동일 파장의 밴드패스 필터를 사용하여 인텐서티를 얻는 경우에는 위의 데이터에 근접하는 인텐서티를 얻을 수 있다. 따라서 복수의 밴드 패스 필터를 이용하여 얻은 인텐서티를 기준 데 이터에 가장 급접하는 데이터를 검색하여 이에 해당되는 경로차를 측정 매체의 경로차로 구할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 장치에서 밴드패스 필터를 제외한 광학계에 광원을 조사하여 얻어진 이미지이다. 도 5를 살펴보면 프린지(Fringe) 패턴이 원형으로 나타나서 디스크 제품의 복굴절이 원형 대칭으로 이루어져 있음을 알 수 있다. 도 5에서 S로 표시된 영역에 대하여 복수의 밴드패스 필터를 각각 적용하여 경로차를 해석하기로 한다.
도 6a는 R 밴드패스 필터를 적용하고 이를 그레이 스케일로 변환하여 얻은 이미지이며, 도 6b는 G 밴드패스 필터를 적용하고 이를 그레이 스케일로 변환하여 얻은 이미지이고, 도 6c는 B 밴드패스 필터를 적용하고 이를 그레이 스케일로 변환하여 얻은 이미지이다.
도 6a, 6b 및 6c는 도 5의 S 영역(500)에 대하여 획득된 이미지이다. 각 밴드패스 필터를 통과한 광의 파장이 다르기 때문에 이로 인하여 얻어지는 인텐서티 및 어두운 띠(즉 소광상태)가 나타나는 주기가 달라지게 된다. 어두운 띠는 싸인(Sine) 제곱의 함수로서 파장의 역수가 포함되므로, 파장이 길어짐으로 인하여 경로차가 증가함에 따라 주기가 길어질 수 있다.
도 6a에서와 같이 파장이 긴 R 성분 파장의 광이 통과된 이미지에는 어두운 띠가 하나가 발현되어 싸인 제곱이 대략 1.5 주기로 나타나고, 도 6c에서와 같이 파장이 짧은 B 성분 파장의 광이 통과된 이미지에는 어두운 띠가 두개가 발현되어 대략 2.5 주기의 파형 변화가 나타남을 알 수 있다.
도 7a는 도 6a의 이미지에서 인텐서티를 추출하여 나타낸 도면이고, 도 7b는 도 6b에서 인텐서티를 추출하여 나타내었고, 도 7c는 도 6c에서 인텐서티를 추출하여 나타낸 도면이다. 도 7a, 도 7b 및 도 7c 의 인텐서티를 나타낸 결과를 살펴보면 대체적으로 x-축 방향으로 인텐서티가 주기적인 파형을 나타내고 있다. 이는 도 6a에서와 같이 도 7a는 대략 1.5 주기이고, 도 6c에서와 같이 도 7c는 대략 2.5주기를 가짐을 알 수 있다.
도 8은 도 7a, 7b 및 7c에서 추출된 인텐서티 데이터를 이용하여 경로차를 계산한 결과를 보여준다. 복굴절을 측정하려는 한 지점에 대하여 도 7a, 7b 및 7c로부터 인텐서티 데이터를 이와 근접한 기준 데이터를 검색한다. 검색된 기준 데이터가 가지는 경로차가 복굴절을 측정하려는 지점의 경로차가 된다. 근접한 기준 데이터를 추출하는 방법은 기준 데이터 전부를 인텐서티 데이터와 비교하여 추출하거나 또는 하나의 인텐서티가 동일하면 다른 인텐서티의 값을 비교하여 추출할 수 있는 방법이 있다.
도 8에서 살펴보면 경로차의 분포는 이차원이지만 y축으로의 변화는 크지 않아 전체적인 관점에서 보면 x-축을 따라 경로차가 증가하는 형태를 보여준다. 경로차가 작은 영역은 다스크의 테두리 부근이 되고 경로차가 커지는 영역은 디스크의 내부에 가까운 영역이 된다. 따라서 디스크의 제품의 두께가 일정하다면 경로차를 두께로 나눈 값의 복굴절 측정값도 이와 동일한 패턴으로 x-축을 따라 경로차가 증가하게 된다.
도 9는 종래 기술에 의한 경로차와 본 발명의 일 실시예에 따른 경로차를 각 각 보여준다. 종래 기술은 솔레이 바비넷 보상기(Soleil babinet compensator)를 이용하여 도 8에서와 같이 S 영역(500) 중에서 x-축에 따라 일정 간격으로 경로차를 측정하였다. 종래 기술에 의해 측정된 경로차와 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 경로차가 거의 일치하여 본 발명에 의한 복굴절 측정 장치가 경로차 및 복굴절을 비교적 정확히 측정하는 것을 알 수 있다.
이와 함께, 솔레이 바비넷 보상기를 이용하여 경로차를 측정하는 방법은 지점마다 한 번씩 측정을 하여야 하는 번거로움 및 시간이 필요로 하는 반면에 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 방법은 각 밴드패스 필터를 통과한 복수의 이미지 획득 후에 이를 인텐서티로 변환함으로써 촬영된 이미지 전체에 대하여 경로차를 측정할 수 있다.
도 10a는 사출 성형에 의해 성형된 렌즈에 대해 백색광의 광원이 광학계를 통과하여 획득된 이미지이며, 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 장치에 의한 렌즈의 경로차(Retardation) 분포를 보여준다.
도 10b는 도 10a의 렌즈 제품에 대하여 복수의 밴드패스 필터를 각각 적용하여 추출된 인텐서티 데이터로부터 경로차를 계산한 결과로서, 렌즈의 한 쪽 편에 매우 높은 경로차를 가지고 있음을 볼 수 있다. 일반적으로 사출 성형에 의하여 렌즈를 성형하는 경우에는 게이트를 통하여 렌즈 형상의 금형 내로 용융 수지를 사출함으로써 성형할 수 있다. 이러한 경우에 좁은 게이트를 통하여 고압과 고속의 유동이 발생하여 이 게이트 부근에서 높은 고분자 수지의 방향성 및 응력을 받게 되어 이로 인한 복굴절이 커지게 된다. 따라서 경로차가 매우 높게 나타난 영역이 게 이트 주변 부근이 되며, 경로차가 상대적으로 작은 영역은 게이트로부터 멀리 떨어져 상대적으로 유동의 흐름이 균일하게 됨으로써 낮은 응력이 작용하여 경로차가 작아지게 된다.
이상과 같이 밴드패스 필터를 구비한 광학계에 광원을 투사하여 얻어진 이미지로부터 인텐서티를 획득하여 경로차를 계산함으로써 복굴절의 분포를 전체적으로 구할 수 있고, 복수의 밴드패스 필터를 적용하여 복수의 이미지를 획득하고 이를 바탕으로 복수의 인텐서티를 얻음으로 경로차 및 복굴절의 측정의 범위를 넓힐 수 있으며, 이미지 전체에 대해 인텐서티를 얻고 경로차를 계산함으로써 측정 매체의 복굴절 분포를 얻을 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 방법의 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복굴절 측정 방법은 밴드패스 필터가 구비된 광학계에 광원을 투사하는 단계(S1100), 투사된 이미지를 촬영하여 이미지를 획득하는 단계(S1110), 획득된 이미지에서 인텐서티를 획득하는 단계(S1120), 획득된 인텐서티를 투과율의 차이에 의해 인텐서티를 보정하는 단계(S1130), 인텐서티를 이용하여 해당 영역에서의 경로차를 계산하는 단계(S1140) 및 경로차에 측정 매체의 두께를 나눔으로 복굴절을 계산하는 단계(S1150)를 포함한다.
먼저, 밴드패스 필터가 구비된 광학부에 광원을 투사하는 단계가 수행된다(S1100). 광학부(200)는 광원(310)으로부터 제1 평관판(320), 제1 1/4 파장판(330), 제2 1/4 파장판(350) 및 제2 편광판(360) 및 밴드패스 필터(370)를 포함한다. 광학부(200)에 대해서는 이미 앞에서 자세히 설명하였기에 생략하기로 한다.
따라서 복수의 파장이 포함된 광원(310) 예를 들어 백색광원에 의해 광학부에 광원이 투사되면 제1 1/4 파장판(320)에 의해 원편광 된 후에 측정 매체를 통과하여 일정한 경로차를 가지며, 다시 제2 1/4 파장판(340)에 의해 반대 방향으로 원편광 시킨 후 제2 편광판(360)을 통하여 수직 편광이 된 광으로 변환되며, 밴드패스 필터(370)를 통과하면서 일정한 파장의 광이 최종적으로 산출 된다. 다만 밴드패스 필터를 교체하면 다른 파장의 광을 통과시킬 수 있으며, 서로 다른 파장의 밴드패스 필터를 사용하여 산출되도록 한다.
밴드패스 필터(370)를 통과하면 투사된 이미지를 획득하는 단계를 수행한다(S1110). 이미지를 획득할 수 있는 수단인 카메라 등에 의해 이미지를 획득할 수 있다. 획득되는 이미지 수는 각 밴드패스 필터마다 하나의 이미지가 획득되므로 적용된 밴드패스 필터의 개수와 동일하다. 본 발명에서는 복수의 밴드패스 필터를 사용하므로 복수의 이미지가 획득된다.
이미지가 획득되면, 획득된 이미지로부터 인텐서티를 추출한다(S1120). 획득된 이미지를 그레이 스케일(Gray scale)로 변환 한 후에 이에 대한 밝기 강도를 구함으로써 인텐서티를 추출할 수 있다. 예를 들어, R, G 및 B 밴드패스 필터를 이용하여 얻어진 세 개의 이미지에 대하여 세 개의 인텐서티를 가진 데이터(IR, IG, IB)를 구할 수 있다.
추출된 인텐서티를 측정 매체의 투과율을 고려하여 보정해 주는 단계를 수행할 수 있다(S1130). 측정 매체의 투과율이 낮아지면 추출되는 인텐서티도 상대적으 로 낮아지게 되므로 이를 기준 데이터의 투과율에 맞추어 인텐서티를 보정한다.
기준 데이터는 단파장의 광원이 밴드패스 필터를 제외한 광학계를 통하여 조사되는 경우에 경로차 변화에 따른 인텐서티의 변화를 측정하여 생성된다. 예를 들어, 도 4에서와 같이 밴드패스 필터를 R, G 및 B 밴드패스 필터를 사용하는 경우에는 이와 동일한 파장의 R, G 및 B 레이저 광원에 의해 측정된 인텐서티를 이용하여 기준 데이터를 생성한다. 이러한 기준 데이터는 이미 알려진 데이터를 사용하거나 미리 생성된 데이터를 사용할 수 있다.
다시 도 11을 참조하면, 인텐서티를 보정하는 방법은 각 파장별로 추출된 인텐서티의 비는 전체적으로 인텐서티가 낮아지더라도 동일한 경로차에 대해서는 거의 일치하므로 이와 같이 동일한 비에 해당되는 지점을 추출하여 이를 기준 데이터와 비교하여 증가 또는 감소시켜야 할 인텐서티의 비를 구하여 이를 추출된 인텐서티에 적용함으로써 추출된 인텐서티를 보정할 수 있다.
추출된 인텐서티 또는 보정된 인텐서티를 이용하여 측정 지점에서의 경로차를 계산하는 단계를 수행한다(S1140). 추출 또는 보정된 인텐서티 데이터를 기준 데이터와 비교하여 기준 데이터에 가장 근접한 경우에 대응되는 경로차를 그 지점에서의 측정 매체의 경로차로 계산하는 역할을 한다. 예를 들어, 밴드패스 필터를 R, G 및 B 밴드패스 필터를 사용한 경우에 추출되는 인텐서티 데이터는 (IR, IG, IB) 세가지 성분을 가지고 기준 데이터에 가장 근접하는 대응 데이터를 검색한다. 검색된 기준 데이터에서의 경로차의 값을 측정 매체의 그 지점의 경로차로 계산할 수 있다.
경로차가 계산되면, 계산된 경로차에 측정매체의 그 지점에서의 두께를 나누면 그 지점에서의 복굴절 값을 계산 할 수 있다(S1150).
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상이 있다.
첫째, 각 파장에 따른 다수개의 광원이 아닌 하나의 광원에 대하여 다수개의 밴드패스 필터를 이용함으로써 복굴절을 측정할 수 있다.
둘째, 다수개의 밴드패스 필터를 이용함으로써 복굴절의 측정의 범위를 광원의 파장에 상관없이 복굴절이 높은 영역까지 확장시킬 수 있다.
셋째, 평면상의 볼굴절의 분포를 한 번의 과정으로 제품 전체의 복굴절 측정 및 복굴절의 분포를 구할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있 을 것이다.

Claims (10)

  1. 측정 매체의 복굴절을 측정하는 복굴절 측정 장치에 있어서,
    서로 다른 파장의 광을 통과시키는 복수의 밴드패스 필터를 구비하고, 상기 측정 매체를 통과한 광으로부터 상기 복수의 밴드패스 필터 중에서 하나씩 적용하여 서로 다른 파장을 갖는 광을 산출하는 광학부;
    상기 각 밴드패스 필터가 적용된 광학부에서 산출된 광에 의해 투사되는 이미지를 획득하는 이미지 획득부;
    상기 획득된 이미지에서 측정 지점의 인텐서티(Intensity)를 각각 추출하는 인텐서티 추출부; 및
    상기 인텐서티를 이용하여 측정 지점에서의 경로차를 계산하는 경로차 계산부를 포함하는, 복굴절 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광학부는
    서로 다른 파장의 광을 포함하는 광원;
    상기 광원으로 조사된 광을 편광시키는 제1 편광판;
    상기 제1 편광판을 통한 광을 원평관 시키는 제1 1/4 파장판;
    상기 제1 1/4 파장판과 상기 측정 매체를 사이에 두고 대칭으로 배치되는 제2 1/4 파장판;
    상기 제1 파장판과 상기 측정 매체를 사이에 두고 대칭으로 배치되는 제2 편 광판; 및
    상기 제2 편광판을 통과한 광으로부터 일정한 길이의 파장의 광을 통과시키는 밴드패스 필터를 포함하는, 복굴절 측정 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 편광판과 제2 편광판은 서로 90도의 각도를 이루고,
    상기 제1 1/4 파장판과 제2 1/4 파장판은 서로 90도의 각도를 이루며,
    상기 제1 편광판과 제1 1/4 파장판은 서로 45도 각을 이루는, 복굴절 측정 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 파장의 광이 포함되어 있는 백색광인, 복굴절 측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 밴드패스 필터는
    약 632.8nm의 파장의 광을 통과시키는 R 밴드패스 필터;
    약 540.07nm의 파장의 광을 통과시키는 G 밴드패스 필터; 및
    약 452.56nm의 파장의 광을 통과시키는 B 밴드패스 필터를 포함하는, 복굴절 측정 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    파장이 서로 다른 단파장의 복수의 광원을 상기 밴드패스 필터가 제외된 상기 광학부에 조사하여 경로차 증가함에 따라 나타나는 인텐서티를 추출하여 기준 데이터를 생성하는 기준 데이터 생성부를 더 포함하는, 복굴절 측정 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 경로차 계산부는
    상기 추출된 인텐서티를 기준 데이터와 비교하여 가장 근접하게 되는 경우의 경로차를 복굴절 측정 지점의 경로차로 계산하는, 복굴절 측정 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 인텐서티 추출부는
    상기 추출된 인텐서티를 기준 데이터에 맞추어 전체적으로 증가 또는 감소시켜 측정 매체의 투과율 감소에 의한 상기 인텐서티를 보정하는 인텐서티 보정부를 포함하는, 복굴절 측정 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 계산된 경로차를 상기 측정 매체의 두께를 나눔으로 복굴절을 계산하는 복굴절 계산부를 더 포함하는, 복굴절 측정 장치.
  10. 측정 매체의 복굴절을 측정하는 복굴절 측정 방법에 있어서,
    (a) 서로 다른 파장의 광을 통과시키는 복수의 밴드패스 필터를 구비하고, 상기 측정 매체를 통과한 광으로부터 상기 복수의 밴드패스 필터 중에서 하나씩 적용하여 서로 다른 파장을 갖는 광을 산출하는 단계;
    (b) 상기 산출된 광에 의해 투사되는 이미지를 획득하는 단계;
    (c) 상기 획득된 복수의 이미지에서 측정 지점의 인텐서티(Intensity)를 각각 추출하는 단계; 및
    (d) 상기 인텐서티를 이용하여 측정 지점에서의 경로차를 계산하는 단계를 포함하는, 복굴절 측정 방법.
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