专利名称：大型样品的双折射测量方法
技术领域：
本申请涉及光学元件的双折射性的测量方法，主要涉及大型元件，例如用于液晶显示器(LCD)的大型板材。
背景技术：
很多重要的光学材料都表现出双折射性。双折射意味着不同线性偏振的光以不同的速度穿过材料。这些不同的偏振大多数经常被视为偏振光的两个相互垂直的分量。双折射是很多光学材料的固有性质，并且也可能通过施加在材料上的外部作用力引发。
延迟(retardation)或者阻滞(retardance)代表着双折射沿着光束通过样品的路径所产生的综合影响。如果入射光是线性偏振的，偏振光的两个相互垂直的分量将以不同的相位从样品射出，这称为延迟。延迟的基本单位是长度，例如纳米(nm)。经常情况下，为方便，延迟也使用相角的单位(波，弧度，或者度数)表示，其与延迟(nm)除以光的波长(nm)成比例。一个样品的“平均”双折射有时可以依据由样品的厚度所测得的延迟量的比例来计算。
时常的，术语“双折射”可以同术语“延迟”相互替换使用，并且意思相同。这样，除非另外声明，这些术语在下面也可以互换使用。
如上所述的两个相互垂直的偏振分量与光学材料的两个相互垂直的被称为快轴和慢轴的轴平行。快轴是同快速通过样品的偏振光分量平行的轴。因此，对一个样品沿着给定光学路径的延迟的完整描述需要对延迟量和样品快轴(或慢轴)的相对角取向进行测定。
对双折射性质准确测定的需求在一些技术应用中已经变得越来越重要。例如，对于半导体和其它工业中的高精度仪器所使用的光学元件，其线性双折射的准确测定很重要。
另外，一些应用要求在整个大型光学元件或者样品的表面进行延迟性质的测量。例如，一个制造商可能希望在整个大片材料区域上对延迟性进行检测，从而在投入更多的花费将面板加工成多个单元前(从双折射性的角度)确定材料是否令人满意。
对这些大型样品的双折射性的检测带来了样品和应用于这些检测的仪器的精确操作的问题。例如，这些大型样品相对于双折射检测仪器做相对的移动是不可行的。替代的，系统必要的光学元件能够相对于静止的样品移动。这种系统产生的一个问题是需要确保双折射检测系统的元件相互之间以及相对于样品都精确的移动，从而在跨越大型样品移动的过程中，不论需要移动的系统元件数量为多少，都能提供始终如一的准确的双折射检测数据。
如上所述，作用在光学元件或者样品上的外部作用力能够引发双折射。例如，当一个样品在固定的同时被弯曲或者受到其它压力，这种作用力就会产生。由于重力原因，样品的质量会产生一定的双折射，尤其是在样品的主要质量在竖直方向取向的情况下。这样，大型样品的内在双折射性质的准确检测就要求相关的光学元件或者样品以不会在样品中引发双折射的方式固定或者支撑，而这些引发双折射的方式将会导致内在双折射性质的错误检测。具体来说，这种支撑要求一个扁平的样品在没有压力施加在样品上的情况下在一个平面上被基本均匀地支撑。
除了需要在一个平面上充分的支撑样品外，支撑样品的机械装置必须允许在不干涉光束的情况下让光束通过样品。光束不受阻碍地通过样品以及进入相应的检测组件，是准确进行双折射检测的一个关键方面。此外，平常最希望的是在整个样品区域上的紧密间隔开的各个位置上检测样品的双折射。因此，大型样品固定器的设计必须为不受阻碍的双折射检测光束提供所需的大的样品面积，同时为防止由作用力引发双折射而给予样品足够的支撑，在此两者之间寻求平衡。
当然，制造的简单性和花费，以及包含大型样品固定器的一个双折射检测系统的运载和组装也是设计时需要重点考虑的方面。
发明内容
本发明涉及精确检测大型光学元件样品的双折射性质的系统和方法。
在一个优选实施例中，一个托台状的构造被用于双折射检测系统元件相对于样品所做的沿Y轴方向的精确移动。该元件是用于X轴方向的精确移动的。相应的，样品的整个区域被双折射检测元件通过。
还提供一个有效的大型样品固定器，其能够为不受阻碍的双折射检测光束提供大面积的样品，同时给样品提供足够的支撑以防止在其中引发双折射。
图1为一个实施例的图示，其显示了根据本发明的用于检测大型光学元件的双折射检测系统的光学元件的一个优选排列。
图2为图1所描述系统中的信号处理元件的框图。
图3描述了一个优选设备，用于支撑一个大型光学元件(样品)和固定及移动图1和2中系统的某些元件，这些元件用于在整个样品区域的各个位置上检测双折射。
图4和5是图3所示设备的样品固定器部分的局部放大剖视图。
图6为一个放大的详细剖面图，显示了本发明中的样品固定器的局部的另一个实施例。
具体实施例方式
根据图1和图2，描述了一个双折射检测系统的实施例。本系统使用双光弹性调制器(PEM)装置检测光学元件中的低水平线性双折射。本实施例可以测定双折射的大小和角取向并且具有具体设计的信号处理装置、数据收集系统、和用于以非常高的精度检测低水平线性双折射的算法。
如图1所示，本实施例的双光弹性调制器(PEM)装置20包含两个模块。源模块包括光源22、45度角取向的起偏器24和0度角取向的PEM26。光源22是偏振氦-氖激光器，其能够产生波长为632.8纳米、光点尺寸(直径)大约1毫米的光束。
检测模块包括第二PEM28，其设定的调制频率与第一PEM26的调制频率不同。第二PEM28以45度角取向。检测模块还包括一个0度角的检偏器30和一个检测器32。
在源模块和检测模块之间是用于支撑光学元件或者样品36的样品固定器34(图1所示)，在下面将详细描述。图1中竖直排列的箭头表示从光源22发射出的光束经过样品36(也可以是系统中的其它光学元件)进入检测器32的路径。
还是参考图1，起偏器24和检偏器30每一个都是葛兰-汤普生型的。在本实施例中使用硅光二极管检测器32。PEM26和28都是带有两个传感器的棒状熔融石英玻璃的形式。传感器使用柔性粘结材料连接到熔融石英光学元件上。为降低光学元件引发的双折射，仅有传感器装在PEM的壳体上。两个PEM26和28的标称共振频率分别为50和55Hz。
根据图2，在检测器32上产生的电子信号都包含“交流(AC)”和“直流(DC)”信号，并且经过不同的处理。交流信号应用在两个锁相放大器40和42上。每一个锁相放大器在PEM基础调制频率下(1F)都显示检测器所提供的1F信号。在优选的实施例中，锁相放大器型号规格为EG&G的7265型。
直流信号在检测器信号经过模拟-数字转换器44和低通电子滤波器46后被记录。直流信号表示到达检测器32的平均光强。在不同的PEM延迟设置下记录直流和交流信号。
对本实施例中样品36双折射性质的检测所依据的理论分析是基于Mueller矩阵分析的，并结合光强度的信号处理，以提供代表双折射的大小和角取向的数据。
参考图3，本发明的大型双折射检测系统的细节在此描述。双折射检测系统包括一个带有顶部51的壳体49。样品36通过固定器34放置在壳体顶部51上。样品36是大型的样品，例如可能是厚度大约为0.5毫米的1250毫米×1100毫米的液晶显示器(LCD)板材。在图3中，样品的厚度被极大的夸大。
样品36在固定器34的支撑下保持静止。在一个优选实施例中，固定器包括绷在两个支撑梁组件39、41之间的多个间隔开的拉紧的线37，和位于壳体上表面的开口63上的一边的梁组件。固定器的细节部分在下面将更充分的描述。
光路“P”位于源模块50和检测模块52之间(图3)。源模块50为上述的多个元件组成的成套模块，并且检测模块52也是上述的组成此模块的多个元件所组成的成套模块。
源模块50固定在上梁部件56上，上梁部件56沿X轴的方向，即样品固定器34(这里是样品36)的宽度方向延伸。该上梁部件在它的相对两端由托台柱58支撑。梁部件56被固定，在Y轴方向上随柱移动。每个柱通过位于壳体顶部51侧边缘附近形成的长缝槽60延伸。
检测模块52固定在下梁部件62上，下梁部件62位于样品固定器34下面，并连接在托台柱58之间(随之移动)。
槽60允许托台柱58在Y轴方向移动以在样品36的长度方向上跨越。为此，托台柱的下端固定在一对匹配的致动器64上(在图3仅可以看到一个)，如足够长的滚珠丝杠线性致动器，以便跨越样品的长度。还提供合适的位置传感器和处理器控制的马达，以确保托台柱的同步移动，从而在Y轴方向上得到源模块和检测模块的一致运动。
上梁部件56和下梁部件62都被设定用于传送连接有模块50、52的伺服运动控制单元66。该单元66包括合适的编码器和相关的运动控制器以保证在X轴方向上模块50、52都能一致移动。
应该理解，如上所述的在X-Y轴上源模块和检测模块运动的精确控制确保了可重复的双折射检测。例如，这种运动确保光路“P”将不会相对于检测器缝隙变化，否则这种变化可能导致双折射检测结果的系统误差。
依据图3-5，固定器34包括一个固定的梁组件39，其包括一个连接到壳体49顶部51的平的基板70。基板70连在顶部51边缘附近。若干隔板72(见图3)固定在基板70的上表面，以从那里延伸并且支撑位于基板70上方的锚板74。锚板74一般横截面为L形，带有一个扁平的腿76和一个向上突出的凸缘78。腿76的下边固定在隔板72的顶部。凸缘78的最上端77是圆整的。
上面提到的每根线37的末端都固定在锚板74上。具体的，线的末端(只有一个单线的末端在图4和5表现出来)通过腿76上的孔并穿过一个中空的圆柱状的止动套筒82。套筒82被卷曲从而使套筒固定在线的末端，并且因为套筒的直径大于孔80的直径，线37能够被临近锚板74的腿76的套筒拉紧，从而将线的末端锚定。线37被拉力拉出，通过圆整的边缘77，到达上述的另一个梁组件41。
在一个优选的实施例中，线37为不锈钢线绳，可以涂覆或者不涂覆低摩擦涂层，例如特富龙。尼龙涂覆的线绳和多种其它物质也可能用作这种线。
优选的，线37的直径要选择得足够小(例如1或者2毫米)，以把被这些线占据的穿过窗口63的空间量降低到最小(并且这将干扰光束通道“P”，如图3所示)。线的材料和每根线之间相同的间隔都被选择，这样，根据样品的重量，充足的张力被加在每根线上(下面将更详细的描述)以保证样品在没有任何弯曲应力的情况下放置在一个平面上，而如果允许样品下陷，就可能产生这种应力。
固定器中单根线37之间的间隔尽可能要大(取决于单位重量和样品的弹性)，这样，如刚才所述，线所占据的穿过窗63的空间变得最小。线之间的间隔可能从几毫米到几厘米，如前所述，其取决于样品的物理性质。优选的，维持一最小间隔(例如5毫米)，以确保在每根线之间保留足够大的间隙，从而使能够干扰光束的污染物(玻璃粒子、涂层屑等)不会在线之间聚集。
与图1所示的为了描述的目的而选择的相对较厚的样品36不同，在图4和图5中，被画出的样品36的厚度反映了用于当前固定器34的至少一些类型的样品的相对较薄的本质，例如上面提到的0.5毫米厚的液晶显示器(LCD)材料。
如图5所示，线37的另一端连接到拉伸梁组件41上，其产生并保持线的拉力。拉伸梁组件41包括一个连接到壳体49顶部51的平的基板90。基板90连接到顶部51的开口63的边缘附近。多个圆柱状间隔柱92按照间隔开的间距固定在基板90的上表面，以从那里延伸并支撑基板上方的锚板94。锚板94大致为L形，带有一个扁平腿96和向上突出的凸缘98。腿96的下侧固定在间隔柱92顶部。凸缘98的最上部边缘97是圆整的。
每根线37的末端越过圆整的边缘97被拉伸并连接在锚板94的腿96上，其连接方式使得线的末端被锚定，同时允许拉力作用在线上。形成这种连接的一个方式是使用传统的线端接头，例如图5所示的螺栓末端接头100。螺栓末端接头100在一个外螺纹套筒102中俘获线的末端，该螺纹套筒102拧入六角螺栓104。螺栓的螺杆106穿过腿96的孔并且通过一个支撑腿下端部分的锁定螺帽108。一旦足够的拉力作用在线37上，螺帽被绷紧。
梁组件39、41被设定和安排，从而使各自的圆整末端77、97的最上部处在一个共同的平面上，这样在这些组件之间拉紧的线37将保持样品水平，不带有弯曲应力，从而确保穿过样品的光束不会被这种弯曲所引发的样品内的双折射所影响。
应该理解，在制造当前的固定器的过程中，为精确的保持样品台所支撑样品的水平，需要做的事情仅仅是确保梁组件顶端77、97在一个共同的平面上，以及在线上作用恰当的拉力。这能够和例如制造带有用于光通过的机械加工开口的大型、刚性、精确的水平支撑托板的复杂性进行比较。
预期的，作为紧绷线37的替代物，可以使用其它细的、可以伸长的部件。例如，如图5所示，小直径的柱状杆110能够跨越窗口63。在这样一个实施例中，柱状杆被可以旋转安装在轴承112上，以及像上面讨论的，安装在窗口63对面边缘处的锚定件74、94之间。可旋转的杆使样品和固定器之间的接触降低到最小，并且同时提供了一个使样品容易滚上和滚下固定器的方法。
也是可以预期的，样品固定器能够以以下一种方式建造，其允许相对快速的将拉力作用在线上以及相应的相对快速地将拉力释放，从而方便固定器的组装和拆卸，以满足运载的需要。关于此方面的一个图6描述了固定支撑线37的一种方法，从而使整套线可以通过调节一个可移动的拉伸板190来拉紧和放松，线的末端固定在该拉伸板上。在这个实施例中，梁组件139包括一个与顶部51中的开口63的边缘紧密相连的基板170。这个基板可以通过连接螺栓171连接，例如，其能够被拆下以使整个组件139与壳体45分离。在这一方面，与图4中固定的梁组件基本相同的梁组件、或者像图5中的组件41一样的梁组件可以应用在窗口63的相对边缘以固定线的另一端。
多个间隔板172固定在基板170的上表面，从那里延伸并支撑基板170上方的锚板174。锚板174大致为L形，带有一个扁平的腿176，腿176向内延伸越过间隔板172，终止于向上突出的凸缘178。
凸缘178的最上缘177是圆整的。上面提及的每根线37的末端穿过腿176向里突出部分上的孔180，随后穿过位于壳体顶部51与锚板174向内延伸的部分之间的刚性拉伸板190的中心部位的孔。线的末端被止动套筒182俘获，就像前面所述实施例中的套筒82一样，它卷曲以将套筒固定到线的末端。相似的，因为套筒的直径超过拉伸板上孔的直径，线37因此被临近板190下侧的套筒拉紧。
预期的，如图6中179所显示的凹槽，可以在梁组件的顶端177(以及早前讨论的边缘77、97)处形成并且依据尺寸来接收线37，从而达到并保持线之间正确的间距。
一些用于拉力调整的间隔开的臂状螺栓192穿过拉伸板上的通孔并拧入基板170。应该理解，这些螺栓192的拧紧和拧松将相应地增加和降低所有线37上的拉力。也是可以理解的，在线的末端作为单一的组被单一的刚性棒部件或者相似部件所俘获的情况下，多个快速释放的夹紧机械装置中的任何一个都可用于拉紧和放松该组线。另外，多个机械装置中的任何一个都能够在允许拉伸板运动的同时用于紧固锚板。例如，可以不使用螺栓192和连接件，而是通过一个铰链、通过板190的长边连接到壳体或基板170。一个把手可以连接到板上，以围绕铰链移动板，同时拉紧或者放松所有的线。一个钉或者闭锁装置能够包含在内以在线拉紧的部位将板紧固。
尽管本发明优选和替代的实施例已经描述，值得注意的是，本发明的精神和范围并不限于这些实施例，而是延伸到各种改进形式和等价物中。例如，尽管双折射检测系统中的样品固定器上面已经讨论，应该理解该样品台能够适用于任何不同的光学装备或者系统的应用。
另外，尽管这里集中于大型样品，值得注意的是，本发明中的固定器也可以适用于任何尺寸的样品，包括非常小的样品，而不需要对固定器做改进。
权利要求
1.一种在引导光束通过样品的光学装置中支撑样品的方法，该方法包括以下步骤在多个间隔开的长部件上支撑该样品。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括张紧该长部件的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括相对于样品移动光学装置的元件以引导光束通过样品的不同部分的步骤。
4.一种光学元件支撑装置，包括两个间隔开的锚定部件；以及固定在锚定部件之间的多个长部件，这些长部件相互间隔开，用于为光学元件提供支撑。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述长部件在锚定部件之间张紧。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述长部件为线。
7.一种在大型样品的区域上测量双折射的方法，其中，对双折射的测量需要光源和检测器，该方法包括以下步骤支撑样品使其稳定；以及相对于样品同时移动光源和检测器并穿越该样品的区域。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括在多个长部件上支撑样品的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括张紧所述长部件的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括提供线作为被张紧的长部件的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括同时张紧或放松全部的多根线的步骤。
全文摘要
本发明是关于准确测定光学元件大型样品的双折射性质的系统和方法。使用一个像托台一样的结构，从而使双折射检测系统的元件相对于样品准确移动。在此还提供了一种有效的大型样品固定器，在给予双折射检测光束无阻碍通过样品大的面积的同时，给样品提供足够的支撑使其可以有效的支撑样品防止在此引发双折射。
文档编号G01J4/00GK1705865SQ200380101656
公开日2005年12月7日 申请日期2003年10月8日 优先权日2002年10月16日
发明者安德鲁·D·卡普兰, 詹姆斯·C·曼斯菲尔德, 道格拉斯·C·马克 申请人:海因兹仪器公司