偏振性质成像系统的制作方法
【专利说明】
[0001 ]本申请要求2013年5月23日提交的第61/826,663号美国临时专利申请的优先权， 该美国临时专利申请的全部公开内容以引用方式并入本文中。本申请还要求2014年1月14 日提交的第61 /927，354号美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的全部公开内 容以引用方式并入本文中。
技术领域
[0002 ]本申请涉及用于将光学材料样品的偏振性质成像的系统。此种系统的一个实例在 宽范围的入射角上提供样品的面内与面外双折射性质两者的同时成像。
【背景技术】
[0003] 许多重要光学材料展现双折射。双折射导致光的不同线性偏振以不同速度行进穿 过材料。这些不同偏振最常被视为偏振光的两个分量，其中一个分量正交于另一分量。
[0004] 双折射是许多光学材料的固有性质，且还可通过施加到材料的外力来诱发。所诱 发的双折射可为暂时的，这在材料振荡时发生;或双折射可为残余的，这在材料在生产期间 经受热应力时产生。
[0005] 延迟或迟滞表示沿着横穿光学材料的样品的光束的路径而作用的双折射的集成 效应。如果入射光束是线性偏振的，那么偏振光的两个正交分量将在存在相位差的情况下 离开样品，这被称为迟滞。迟滞的基本单位是长度，例如，纳米(rim)。迟滞的第二便利表达是 以相位角为单位(波、弧度或度），其为迟滞(nm)除以光的波长(nm)。样品的"归一化"双折射 有时通过将所测量的迟滞量值除以样品的厚度来计算。
[0006] 上文所述的两个正交的偏振光束分量平行于与光学材料相关联的两条正交轴线， 所述轴线被称为"快轴"和"慢轴"。快轴是与穿过样品的偏振光的较快移动分量对齐的材料 的轴线。沿着给定光学路径的样品的迟滞的完整描述需要指定迟滞的量值与样品的快轴 (或慢轴)的相对角定向两者。
[0007] 双折射性质的精确测量的需要在许多技术应用，例如用于半导体和其它工业中的 高精度仪器中的光学元件中的线性双折射的计量中变得日益重要。
[0008] 包括以引用方式并入本文中的第6,473,179号美国专利，双折射测量系统 (Birefringence Measurement System)的现有技术公开用于使用相对于样品的表面以法 向（零度)入射角引导穿过样品的光束来测量样品的双折射的方法和设备。因此，样品的双 折射的确定是"面内"或"法向"的，这意味确定基本上表示样品的平面中的两条正交轴线的 折射率之间的差，其中该平面垂直于入射光束。术语"面内迟滞"或"法向迟滞"意味面内双 折射与所测量的光学样品的厚度的乘积。
[0009] 例如，上述第6，473,179号美国专利中所公开的系统的现有系统可被称为"基于点 的测量系统"，这是因为针对样品中单个点或位置来收集双折射数据，一次一个点。这些系 统尤其适用于具有极低到中间范围的等级的双折射的样品。
[0010] 许多显示器技术依赖于偏振光的控制，且例如液晶显示器(IXD)面板的系统中所 使用的材料的双折射影响所得到的图像的颜色和对比度。对于液晶和许多材料来说，双折 射的程度或量值是所考虑的光的入射角的函数。举例来说，（从法向）增大LCD面板的视角将 对从面板放射的光增大双折射效应，且在不存在补偿的情况下，该增大通过减小对比度和/ 或更改颜色而降低可见光的感知质量。当在法向入射中查看时，光的速度受两个正交折射 率n x和ny影响。双折射是这两个性质的差的函数。当在非法向入射中时，光还受第三正交折 射率n z影响。
[0011] 出于补偿归因于视角的上述双折射变化的目的，已开发透明聚合物膜来用于LCD 面板。简单地说，这些膜具有双折射特性，所述双折射特性补偿LCD面板的双折射且因此提 供广视角，而对比度或颜色无显著损失。
[0012] 将这些膜和其它光学材料在不垂直于入射角（相对于入射角不呈零度）的平面中 的有效双折射特性化实现这些材料的优化、控制和分析。此双折射度量可被称为"面外"双 折射。可在笛卡尔坐标系统方面考虑面内和面外双折射的概念。因此，如果法向入射光被视 为在平行于此坐标系统的Z轴的方向上行进，那么在样品的XY平面中发生面内双折射。面外 双折射处于不与面内（XY平面)双折射一致的平面中。在XZ或YZ平面中发生了特殊状况，其 中所述平面垂直于XY平面。术语垂直双折射和"Rth"明确用于这些特殊状况。Rth意味垂直 (XZ或YZ)双折射与所测量的光学样品的厚度的乘积。.
[0013] 除刚论述的双折射补偿膜实例之外，其它应用可也需要面外双折射的精确确定。 举例来说，单轴晶体具有唯一光轴(Z轴）。垂直于此轴线而传播的光轴经历最大固有双折 射。沿着此轴线传播的光轴不经历固有双折射。XZ或YZ平面上的双折射是沿着Z轴传播的光 束的"面外"双折射。
[0014] 在以引用方式并入本文中的第7,312,869号美国专利（"'869专利"）中，公开用于 透明光学材料的样品的面外双折射性质的精确测量的基于点的方法和设备。两个成角度分 开的经偏振调制的光束穿过样品光学元件的选定位置。光束中的一者以法向或零度入射到 样品表面，且另一光束相对于该表面是倾斜的。在穿过样品之后，检测光束的特性，且处理 所检测的信息以确定面外双折射。
[0015] 如'869专利所述，面外双折射计算涉及从法向入射光束与倾斜光束两者导出的信 息。因此，在此处所述的双光束方法中，斜角光束穿透的单个样品位置实质上与法向入射光 束穿透的位置对齐，且大小不会与其显著不同。
[0016] 如上所述，对于许多材料来说，双折射的程度或量值是所考虑的光的入射角的函 数，且(从法向）增大LCD面板的视角将对从面板放射的光增大双折射效应。为了以若干不同 角度测量此材料的双折射(进而(例如)设计适当的补偿膜），对一定范围的斜角入射进行若 干测量。在例如' 869专利所述的基于点的系统的基于点的系统中，样品可依序倾斜到若干 离散角位置中，且在每一位置处，斜角光束被引导穿过样品以检测该特定角度的相关联的 双折射信息。为了产生经过改进的结果，可在多个入射角下进行测量。这多个测量通常是通 过以机械方式旋转或倾斜样品来依序进行。这众多依序测量需要大量时间来完成。
[0017] 与所涉及的特定偏振性质，例如仅面内双折射、或面内与面外双折射两者无关，某 些光学材料样品可具有对于成像技术可修改以便跨越样品的宽区域迅速收集用于计算受 追求的性质的数据的配置和双折射特性。用于跨越样品的区域(或整个区域)收集此数据的 成像系统将提供高空间分辨率，且尤其适用于低等级到高等级的双折射，也就是说，其中样 品不以极低等级的双折射为特性。
【发明内容】
[0018]本发明总的来说针对于用于将光学材料样品的偏振性质成像的系统。作为本发明 的一个方面，提供用于在宽范围的入射角上进行样品材料的面内与面外双折射性质两者的 精确、同时成像的系统。除作为优选实施例而论述的面内和面外双折射测量之外，此处所述 的空间分辨成像方法适用于宽范围的偏振性质的确定。
[0019]本发明的成像系统的优选实施例包括光学列(optical train)，其中该光学系列 具有用于被引导穿过样品的光的偏振的高度稳定的调制的两个或更多个振荡光弹性调制 器(PEM)。用于经空间分辨的（且经偏振调制的）光束的成像检测器包括CMOS或CCD型相机。 作为积分检测器的这种装置的操作频率可相对慢，且通常比PEM的振荡慢一个量级。在不存 在本发明的情况下，此长积分或曝光时间会对将PEM所产生的振荡信号进行平均化具有不 良影响。
[0020] 换句话说，问题是，相对慢的相机/检测器无法以PEM的高调制频率驱动。本发明通 过以下方式来提供解决此问题的方式：以使得检测器仅在PEM处于已知状态中的情形下接 收光脉冲的方式来对光源或成像检测器进行选通，从而使得所收集的图像(强度)数据适用 于准确地计算双折射性质，如下所述。
[0021] 然而，在一些情形下，光源的这种选通或脉动可导致低劣的曝光时间-强度比，这 对于一些样品来说，可产生实质的且不良的暗电流和光污染噪声。本发明的另一方面提供 通过以下方式来解决此问题的系统:使用通过触发信号来操作的选通机构，其中该触发信 号是基于来自PEM的组合输出信号的频率合成。尤其是，根据本发明而产生的触发信号允许 进行确保可用光强度的至少50%被成像装置接收的选通。
[0022] 根据对本说明书的以下部分和附图的研究，本发明的其它优点和特征将变得清 楚。
【附图说明】
[0023]图1是示出可用于跨越的样本的区域而将例如双折射的偏振性质成像的系统的光 学构件的一个优选布置的图示。
[0024]图2和图3是说明关于光学设置的PEM构件的操作而在特定时刻触发光源的一种优 选方法的图示。
[0025] 图4是示出可用于跨越的样本的区域而将例如斯托克斯(Stokes)参数的偏振性质 成像的系统的光学构件的另一优选布置的图示。
[0026] 图5是示出可用于将偏振性质成像的系统的光学构件的另一优选布置的图示。
[0027] 图6是示出可用于将例如差分消光的偏振性质成像的系