偏振性質(zhì)成像系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001 ]本申請(qǐng)要求2013年5月23日提交的第61/826,663號(hào)美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)， 該美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi)容以引用方式并入本文中。本申請(qǐng)還要求2014年1月14 日提交的第61 /927，354號(hào)美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，該美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的全部公開(kāi)內(nèi) 容以引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002 ]本申請(qǐng)涉及用于將光學(xué)材料樣品的偏振性質(zhì)成像的系統(tǒng)。此種系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例在 寬范圍的入射角上提供樣品的面內(nèi)與面外雙折射性質(zhì)兩者的同時(shí)成像。
【背景技術(shù)】
[0003] 許多重要光學(xué)材料展現(xiàn)雙折射。雙折射導(dǎo)致光的不同線性偏振以不同速度行進(jìn)穿 過(guò)材料。這些不同偏振最常被視為偏振光的兩個(gè)分量，其中一個(gè)分量正交于另一分量。
[0004] 雙折射是許多光學(xué)材料的固有性質(zhì)，且還可通過(guò)施加到材料的外力來(lái)誘發(fā)。所誘 發(fā)的雙折射可為暫時(shí)的，這在材料振蕩時(shí)發(fā)生;或雙折射可為殘余的，這在材料在生產(chǎn)期間 經(jīng)受熱應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生。
[0005] 延遲或遲滯表示沿著橫穿光學(xué)材料的樣品的光束的路徑而作用的雙折射的集成 效應(yīng)。如果入射光束是線性偏振的，那么偏振光的兩個(gè)正交分量將在存在相位差的情況下 離開(kāi)樣品，這被稱(chēng)為遲滯。遲滯的基本單位是長(zhǎng)度，例如，納米(rim)。遲滯的第二便利表達(dá)是 以相位角為單位(波、弧度或度），其為遲滯(nm)除以光的波長(zhǎng)(nm)。樣品的"歸一化"雙折射 有時(shí)通過(guò)將所測(cè)量的遲滯量值除以樣品的厚度來(lái)計(jì)算。
[0006] 上文所述的兩個(gè)正交的偏振光束分量平行于與光學(xué)材料相關(guān)聯(lián)的兩條正交軸線， 所述軸線被稱(chēng)為"快軸"和"慢軸"?？燧S是與穿過(guò)樣品的偏振光的較快移動(dòng)分量對(duì)齊的材料 的軸線。沿著給定光學(xué)路徑的樣品的遲滯的完整描述需要指定遲滯的量值與樣品的快軸 (或慢軸)的相對(duì)角定向兩者。
[0007] 雙折射性質(zhì)的精確測(cè)量的需要在許多技術(shù)應(yīng)用，例如用于半導(dǎo)體和其它工業(yè)中的 高精度儀器中的光學(xué)元件中的線性雙折射的計(jì)量中變得日益重要。
[0008] 包括以引用方式并入本文中的第6,473,179號(hào)美國(guó)專(zhuān)利，雙折射測(cè)量系統(tǒng) (Birefringence Measurement System)的現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)用于使用相對(duì)于樣品的表面以法 向（零度)入射角引導(dǎo)穿過(guò)樣品的光束來(lái)測(cè)量樣品的雙折射的方法和設(shè)備。因此，樣品的雙 折射的確定是"面內(nèi)"或"法向"的，這意味確定基本上表示樣品的平面中的兩條正交軸線的 折射率之間的差，其中該平面垂直于入射光束。術(shù)語(yǔ)"面內(nèi)遲滯"或"法向遲滯"意味面內(nèi)雙 折射與所測(cè)量的光學(xué)樣品的厚度的乘積。
[0009] 例如，上述第6，473,179號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中所公開(kāi)的系統(tǒng)的現(xiàn)有系統(tǒng)可被稱(chēng)為"基于點(diǎn) 的測(cè)量系統(tǒng)"，這是因?yàn)獒槍?duì)樣品中單個(gè)點(diǎn)或位置來(lái)收集雙折射數(shù)據(jù)，一次一個(gè)點(diǎn)。這些系 統(tǒng)尤其適用于具有極低到中間范圍的等級(jí)的雙折射的樣品。
[0010] 許多顯示器技術(shù)依賴于偏振光的控制，且例如液晶顯示器(IXD)面板的系統(tǒng)中所 使用的材料的雙折射影響所得到的圖像的顏色和對(duì)比度。對(duì)于液晶和許多材料來(lái)說(shuō)，雙折 射的程度或量值是所考慮的光的入射角的函數(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，（從法向）增大LCD面板的視角將 對(duì)從面板放射的光增大雙折射效應(yīng)，且在不存在補(bǔ)償?shù)那闆r下，該增大通過(guò)減小對(duì)比度和/ 或更改顏色而降低可見(jiàn)光的感知質(zhì)量。當(dāng)在法向入射中查看時(shí)，光的速度受兩個(gè)正交折射 率n x和ny影響。雙折射是這兩個(gè)性質(zhì)的差的函數(shù)。當(dāng)在非法向入射中時(shí)，光還受第三正交折 射率n z影響。
[0011] 出于補(bǔ)償歸因于視角的上述雙折射變化的目的，已開(kāi)發(fā)透明聚合物膜來(lái)用于LCD 面板。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這些膜具有雙折射特性，所述雙折射特性補(bǔ)償LCD面板的雙折射且因此提 供廣視角，而對(duì)比度或顏色無(wú)顯著損失。
[0012] 將這些膜和其它光學(xué)材料在不垂直于入射角（相對(duì)于入射角不呈零度）的平面中 的有效雙折射特性化實(shí)現(xiàn)這些材料的優(yōu)化、控制和分析。此雙折射度量可被稱(chēng)為"面外"雙 折射。可在笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)方面考慮面內(nèi)和面外雙折射的概念。因此，如果法向入射光被視 為在平行于此坐標(biāo)系統(tǒng)的Z軸的方向上行進(jìn)，那么在樣品的XY平面中發(fā)生面內(nèi)雙折射。面外 雙折射處于不與面內(nèi)（XY平面)雙折射一致的平面中。在XZ或YZ平面中發(fā)生了特殊狀況，其 中所述平面垂直于XY平面。術(shù)語(yǔ)垂直雙折射和"Rth"明確用于這些特殊狀況。Rth意味垂直 (XZ或YZ)雙折射與所測(cè)量的光學(xué)樣品的厚度的乘積。.
[0013] 除剛論述的雙折射補(bǔ)償膜實(shí)例之外，其它應(yīng)用可也需要面外雙折射的精確確定。 舉例來(lái)說(shuō)，單軸晶體具有唯一光軸(Z軸）。垂直于此軸線而傳播的光軸經(jīng)歷最大固有雙折 射。沿著此軸線傳播的光軸不經(jīng)歷固有雙折射。XZ或YZ平面上的雙折射是沿著Z軸傳播的光 束的"面外"雙折射。
[0014] 在以引用方式并入本文中的第7,312,869號(hào)美國(guó)專(zhuān)利（"'869專(zhuān)利"）中，公開(kāi)用于 透明光學(xué)材料的樣品的面外雙折射性質(zhì)的精確測(cè)量的基于點(diǎn)的方法和設(shè)備。兩個(gè)成角度分 開(kāi)的經(jīng)偏振調(diào)制的光束穿過(guò)樣品光學(xué)元件的選定位置。光束中的一者以法向或零度入射到 樣品表面，且另一光束相對(duì)于該表面是傾斜的。在穿過(guò)樣品之后，檢測(cè)光束的特性，且處理 所檢測(cè)的信息以確定面外雙折射。
[0015] 如'869專(zhuān)利所述，面外雙折射計(jì)算涉及從法向入射光束與傾斜光束兩者導(dǎo)出的信 息。因此，在此處所述的雙光束方法中，斜角光束穿透的單個(gè)樣品位置實(shí)質(zhì)上與法向入射光 束穿透的位置對(duì)齊，且大小不會(huì)與其顯著不同。
[0016] 如上所述，對(duì)于許多材料來(lái)說(shuō)，雙折射的程度或量值是所考慮的光的入射角的函 數(shù)，且(從法向）增大LCD面板的視角將對(duì)從面板放射的光增大雙折射效應(yīng)。為了以若干不同 角度測(cè)量此材料的雙折射(進(jìn)而(例如)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償膜），對(duì)一定范圍的斜角入射進(jìn)行若 干測(cè)量。在例如' 869專(zhuān)利所述的基于點(diǎn)的系統(tǒng)的基于點(diǎn)的系統(tǒng)中，樣品可依序傾斜到若干 離散角位置中，且在每一位置處，斜角光束被引導(dǎo)穿過(guò)樣品以檢測(cè)該特定角度的相關(guān)聯(lián)的 雙折射信息。為了產(chǎn)生經(jīng)過(guò)改進(jìn)的結(jié)果，可在多個(gè)入射角下進(jìn)行測(cè)量。這多個(gè)測(cè)量通常是通 過(guò)以機(jī)械方式旋轉(zhuǎn)或傾斜樣品來(lái)依序進(jìn)行。這眾多依序測(cè)量需要大量時(shí)間來(lái)完成。
[0017] 與所涉及的特定偏振性質(zhì)，例如僅面內(nèi)雙折射、或面內(nèi)與面外雙折射兩者無(wú)關(guān)，某 些光學(xué)材料樣品可具有對(duì)于成像技術(shù)可修改以便跨越樣品的寬區(qū)域迅速收集用于計(jì)算受 追求的性質(zhì)的數(shù)據(jù)的配置和雙折射特性。用于跨越樣品的區(qū)域(或整個(gè)區(qū)域)收集此數(shù)據(jù)的 成像系統(tǒng)將提供高空間分辨率，且尤其適用于低等級(jí)到高等級(jí)的雙折射，也就是說(shuō)，其中樣 品不以極低等級(jí)的雙折射為特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)針對(duì)于用于將光學(xué)材料樣品的偏振性質(zhì)成像的系統(tǒng)。作為本發(fā)明 的一個(gè)方面，提供用于在寬范圍的入射角上進(jìn)行樣品材料的面內(nèi)與面外雙折射性質(zhì)兩者的 精確、同時(shí)成像的系統(tǒng)。除作為優(yōu)選實(shí)施例而論述的面內(nèi)和面外雙折射測(cè)量之外，此處所述 的空間分辨成像方法適用于寬范圍的偏振性質(zhì)的確定。
[0019]本發(fā)明的成像系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例包括光學(xué)列(optical train)，其中該光學(xué)系列 具有用于被引導(dǎo)穿過(guò)樣品的光的偏振的高度穩(wěn)定的調(diào)制的兩個(gè)或更多個(gè)振蕩光彈性調(diào)制 器(PEM)。用于經(jīng)空間分辨的（且經(jīng)偏振調(diào)制的）光束的成像檢測(cè)器包括CMOS或CCD型相機(jī)。 作為積分檢測(cè)器的這種裝置的操作頻率可相對(duì)慢，且通常比PEM的振蕩慢一個(gè)量級(jí)。在不存 在本發(fā)明的情況下，此長(zhǎng)積分或曝光時(shí)間會(huì)對(duì)將PEM所產(chǎn)生的振蕩信號(hào)進(jìn)行平均化具有不 良影響。
[0020] 換句話說(shuō)，問(wèn)題是，相對(duì)慢的相機(jī)/檢測(cè)器無(wú)法以PEM的高調(diào)制頻率驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明通 過(guò)以下方式來(lái)提供解決此問(wèn)題的方式：以使得檢測(cè)器僅在PEM處于已知狀態(tài)中的情形下接 收光脈沖的方式來(lái)對(duì)光源或成像檢測(cè)器進(jìn)行選通，從而使得所收集的圖像(強(qiáng)度)數(shù)據(jù)適用 于準(zhǔn)確地計(jì)算雙折射性質(zhì)，如下所述。
[0021] 然而，在一些情形下，光源的這種選通或脈動(dòng)可導(dǎo)致低劣的曝光時(shí)間-強(qiáng)度比，這 對(duì)于一些樣品來(lái)說(shuō)，可產(chǎn)生實(shí)質(zhì)的且不良的暗電流和光污染噪聲。本發(fā)明的另一方面提供 通過(guò)以下方式來(lái)解決此問(wèn)題的系統(tǒng):使用通過(guò)觸發(fā)信號(hào)來(lái)操作的選通機(jī)構(gòu)，其中該觸發(fā)信 號(hào)是基于來(lái)自PEM的組合輸出信號(hào)的頻率合成。尤其是，根據(jù)本發(fā)明而產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)允許 進(jìn)行確?？捎霉鈴?qiáng)度的至少50%被成像裝置接收的選通。
[0022] 根據(jù)對(duì)本說(shuō)明書(shū)的以下部分和附圖的研究，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特征將變得清 楚。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1是示出可用于跨越的樣本的區(qū)域而將例如雙折射的偏振性質(zhì)成像的系統(tǒng)的光 學(xué)構(gòu)件的一個(gè)優(yōu)選布置的圖示。
[0024]圖2和圖3是說(shuō)明關(guān)于光學(xué)設(shè)置的PEM構(gòu)件的操作而在特定時(shí)刻觸發(fā)光源的一種優(yōu) 選方法的圖示。
[0025] 圖4是示出可用于跨越的樣本的區(qū)域而將例如斯托克斯(Stokes)參數(shù)的偏振性質(zhì) 成像的系統(tǒng)的光學(xué)構(gòu)件的另一優(yōu)選布置的圖示。
[0026] 圖5是示出可用于將偏振性質(zhì)成像的系統(tǒng)的光學(xué)構(gòu)件的另一優(yōu)選布置的圖示。
[0027] 圖6是示出可用于將例如差分消光的偏振性質(zhì)成像的系