TWI271572B - System and method for measuring birefringence in an optical material - Google Patents

Description

!271572 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於藉由量測以及分析光學材料(例如玻璃 片）中雙折射性(例如壓力導致雙折射性，固有雙折射性)以 決定光學材料品質之系統及方法。 【先前技術】 、雙折射性為異向性光學材料之特性，其中折射率決定 於運行通過光學材料之光線的偏極方向。例如，上下振盪 之偏極光線當其通過光學材料時更大程度彎曲而大於由側 ，至側邊振盪之偏極光線。雙折射性對光學材料(例如石 英結構)之物理結構為本質性的或其能夠在光學材料(例如 玻璃片）中由於物理應力經由光彈性效應而產生。存在許 多雙折射性感測器，其能夠使用來精確地量測光學材料中 雙折射性之大小及指向，其說明於下列專利及文獻中。 1. R. Oldenbourg et al. MPolarized Light Microscopy"

United States Patent No· 5, 521，705, May 28, 1996 2. R. Oldenbourg et al. "New polarized light microscope with precision universal compensator11 J. Microscopy, V· 180, pp· 140-147，1995 3. B. Wang et al. A new instrument for measuring both the magnitude and angle of low level linear birefringence” Rev· Sci· Instrum·，V· 70, pp 3847 -3854， 1999 ’ 這些文獻及專利内容在此加入作為參考之用。 本公司發展出一個系統，其使用一個已知雙折射性感 測器以沿著垂直於液晶顯示器(LCD)玻璃片平面之光軸量 測應力導致之雙折射性。這些應力引起雙折射性量測使用 來決定玻璃片内部應力值，其為玻璃片品質之指標。為了 在玻璃片中作應力值精確分析，沿著玻璃片四週或玻璃片 1271572 面矛貝舄要作多個分離雙折射性量測。為了得到每一獨立雙 折射性量測，系統首先移動雙折祕感·至玻璃片上數又 據點。系統再讓雙折射^4感測器位於該數據點處，同 fj态猶環經過多個光學狀態以及作多次功率傳送量測，其 二，使數據_之單一雙折射性值計算出。在該數據點； 又斤射性值決定出後，系統移動雙折射性感測器至玻璃片 上之下個婁i：據點。系統再讓雙折射性感測器位於該數據 點處，同時感測器循環經過多個光學狀態及作多次功率傳 送量測，其能夠使在數據點處之單一雙折射性值計算出。’ 傳統系統具有缺點，其需要相當長的時間在玻璃片上 一個數據點處進行多次功率傳送之量測，其需要計算雙折 巧性值。如人們所知，量測全部雙折射性值以及全測 恰間為彼此不一致，因為大量雙折射性量測提供較佳空間 解析度同時全部制_於雙折射性制數目成比例地增 加。使用來提高雙折射性量測空間解析度而並不會引起^ 加日獨之另外-個像统系統包含使用光束擴張光學元件以 擴張由雙折射性感測器發射出光學量測光束以顯現於較大 面積玻璃片上，以及使用圖素感測器例如電荷耦合裝置 (c=)陣列。該系統靈敏性被限制，因為CCD陣列具有小的 動態範圍以及光束擴張光學元件引入偏極損害。雖然上述 所提及兩個系統成功地能夠藉由量測及分析玻璃片'中'應力 引起又折射性而決疋出光學材料之品質，人們需要提供另 外一種系統，其能夠解決先前所提及之缺點以及傳統系1統 之其他缺點。該需求以及其他需求能夠藉由本發明之系 及方法來提供。 【發明内容】 本發明包含在玻璃材料(例如玻璃片）中量測雙折射性 (=如應力所引起雙獅性，本質雙折射性)，其採用方式為 又折射性量測之取樣密度增加，同時保持提昇之空間解析 1271572 度而不會增加影則時間。該方 性感測器設定為第-光學狀態以及以固定速度在中玻=1 朝一個方向移動，同時以高數據收集率下作第-功率傳送 量f。在該移_束時，雙折紐生_器設定為第二光學 狀態以及再以相同的速度在玻璃片上向後移動，同時作 ί雙折射性感測器中存在多種光學狀態 ϋίί ί ΪΪ同次數。計算機再使用功率傳送量測 刀佈以计异又折射性值而決定出玻璃片之品質。 【實施方式】 ' 參考圖1-5,其為本發g月數個.在絲材料11〇(例如 玻璃片110)中量測應力引起之雙折射性的系、统·及方法 300。雖然在此說明本發明系統1〇〇及方法3〇〇，人們了解本 發，並不X限於量職力狀之鑛雛，神能夠使用 來量測本質性雙折射性或任何形式之雙折射性，而不管其 起源。 八 如圖1所示，系統100包含計算機1〇2，雙折雛感測器 104以及裝置ι〇6(例如步進馬達躺動系統1〇6，直流馬達以 及球形螺旋|_關6)。裝置⑽鑛鑛射性感測器1〇4 於玻璃片110上。在操作時，雙折射性感測器設定(圖3中步 驟30^)為第-光學狀態以及藉_置1〇6在預先決定方向 以固疋速率在玻璃片11〇上由啟始點1〇如移動至終點1〇此， =日守又折射性感測态發射及接收光學量測光束116以及沿 著路控115作第一功率傳送量測112,該路徑包含玻璃片11〇 亡不同=置114a，114b· · · 114f。第一功率傳送量測112傳 ，至计异機102以及雙折射性感測器1〇4設定為第二光學狀 恶f及由裝置106在預先決定方向以相同於先前之速度在 玻璃片上由終點l〇8b移動回到啟始點i〇ga，同時雙折射性 感^]器104發射及接收光學量測光束116以及沿著路徑115 作第二功率傳送量測118，該路徑包含玻璃片11〇上不同位 第7 頁 I271572 腿(茶閱圖1及2A)。第二功率傳送量測 傳送至計算機102 “及重複該處理過程(圖3中步驟 ;λ^與存在關於雙折射性感測器之光學狀態一樣。在該範 存在四種光學狀恶，使得存在再兩個功率傳送量測 ，122，其沿著路徑115所作之量測，該路徑包含玻璃片11〇 =同位置11知，1141膽(參閱圖1及2八）。因此一旦 =理，程(圖3中步驟302及謝)完成，計算機1〇2使㈣ η專^，則112,118,120及122組合(參酬2A)沿著路徑 在玻璃Milo上不同位置114a，114b· · · 114f計算 心驟，)雙折射性數值124a， . · ·撕(參閱圖2β) =後計算機102分析(圖3中步驟識)雙折射性數值l24a =· · · 124f(參閱圖2B)以決定出玻璃片11〇之品質。， 巾棚袖條鱗細穌實際數據，反而 Ά河作為说明糸統1 〇〇及掃瞄方法300之操作。 盖而ϋ戶Γ兒明以及顯示於圖3中掃瞒方法300為顯著地改 目：方心點對點掃猫方法。如上述所說明，在傳統掃 對於在一俯峨所計算雙折射性，雙折射性感 2=^在§亥位置作多個功率傳送量测，其中在雙折射‘ 每一光學狀態下作功率傳送量測。雙折射性感 測為再移動顯的位置，以及在_位置處進行另外一组心 傳送制峨使對雜置作雙折射性 母一位置或數據點重複該處理過程。因 :，傳物瞄方法之雙折射性取樣為十 之取财式差異.#奴為—個 104,沿著玻璃片m上路徑出移動i ΐί、ί2置ii4a，ii4b.·.簡處所作第-功率傳 二 =為玻璃片η。上為相當微小的= • ·· 14f之函數。雙折射性感測器104再設定為第二光 第8 頁 1271572 =態，使得其能夠作第二功率傳送量測118。而後雙折射 玻璃片11G沿著路徑115往回移動同時產生第二 11/if專达里測118分佈為玻璃片110上位置114a，114b L L之。該處理過程重刻次，其決定於鑛射性感測 二it !之光學狀態數目。該情況下，第η個功率分佈以 :;二、白取樣間隔加以記錄。由於第η個功率傳送量測 118,120’ 122...讀取存在於在路徑115上任何位置 114b，114c，114d，114e，114f.. ·，能夠對這些位置 12: U4d’ 114迄 114f...計算雙折射性值 124a r方、、从二5版，膽·..。因而，與傳統點至點掃 二曰Μ产日力本發明方法3G°掃目紐術―項優點為其具 有才目^小的取樣間隔，其能夠在相當短時間週期内達成 二;瞒方法作比較時，本發明方法300掃瞒技 術包含下列之其他優點： ％田议 •量的額外時間投資而大大地改善空間解析度。 整循=大 =器。104性能穩定性，因為光學細 .j率傳送量測能夠達成較高之數據收集率。 •量，費用減小，因為量測效率得到相當改善。 可繳ίϋ4,其詳細地顯示出能夠使用於系統⑽中液晶 益=)二在照明側汞弧光燈泡400 二二 控亦包含干频、波n 41。(提柯^J尤綠路 按裝使其中心軸與參考軸^線性偏極器412( 晶電-光遲滞！ 414及，酞 考細及。度。在玻璃片110影像 玻 1271572 =片110與感測态406間為正圓形分析儀418。在該實施例 中，可二蔓型遲滯器/電-細變器414及416為液晶裝置。在 其他貫施例中，能夠使用其他可變型遲滯器/電—光調變器 例如為Pockels ceils。同樣地，可使用另外一個光源例如 熾熱燈泡或雷射以替代汞燈泡。能夠使用單色儀或類似裝 置以替代干·艘。選擇性地可使_鏡位於玻^ 片110正上方。 當由汞弧光燈泡400產生之光線402首先被過濾時，雙 巧性^器1G4產生功能，以及被濾波器及線性偏極 為412選擇及通過而成為狹窄波長頻帶(例如^ 546咖)之偏 極化光線。液晶可變型遲滯器414及416藉由改變施加於每 一遲滯器驅動器420之電壓而設定為不同的光學狀態。例 如，在一個光學狀態下遲滯器414作為四分之一波（Λ/4)板 以及遲滯$ 416作為二分之一波（a/2)板。當設定為四分 之了波板時，可變型遲滯器414促使線性偏極光線402通過 而變為剩餘圓形地偏極化。當設定為二分之一波板，可變 型遲滯器促使剩餘圓形偏極化光線4〇2通過其中以變為正 圓形偏極化。由遲滯器416發出正圓形偏極化光線4〇2照明 玻璃片110上不同的位置H4d(例如）以及通過玻璃片11〇任 何區域之光線被橫越過玻璃片110上區域之任何線性雙折 射性或一色性而產生橢圓形地偏極化。由反射鏡404產生 之反射，橢圓形偏極化光線4〇2由右至左。當光線402通過 =到玻璃片110,將遭遇額外地偏極旋轉。因而，由正圓形 分析儀418所接收之影像含有橢圓形偏極化光線4〇2。玻璃 ^ 110上每一不同的位置114a，114b··· 114f發出光線402數 量通過正圓形分析儀416,以及落於感測器406上之光線402 強度決定於光線402橢圓形程度。入射於感測器406光線 402產生的影像(例如為第一功率傳送量測112)以相當快取 樣速率地記錄。由感測器406發出訊號被數位化及轉變為 第10 頁 1271572 整數值^其代表強度/功率傳送量測122(例如）。該資訊傳 达至計异機102。因而在雙折射性感測器1〇4再次移動於玻 ，片板110上，施加於遲滯器414及416之電壓由遲滯器驅動 态420改餐:以促使光學狀態或入射於玻璃片HQ不同位置 114a，114b· ·· 114f之光線402橢圓率以及入射於感測器406 上光線402強度改變。雙折射性感測器1〇4在玻璃片11〇上 不同的來回移動次數決定於光學狀態之數目，遲滞器需要 作=變以得到足夠功率傳送量測112,118,12〇及122以促使 計异機102決定出玻璃片no上不同位置114a，114b· · . n4f 之又折射性數值124a，124b· ·· 124f。該特別雙折射性感測 為104之操作及組件較為詳細說明能夠藉由閱讀另外一個 雙折射性感測态說明，其揭示於r· 等人之〃· polarized light microscope with precision universal compensator” J· Microscopy, V· 180, pp· 140-147， 1995及美國第5521705號專利中。這些文獻及專利内容在 此加入作為參考之用。人們了解當與傳統雙折射性感測器 例如R· Oldenbourg文獻中所提及作比較時，使用於該應^用 之雙折射性感測器1〇4具有提昇性能。 ^ 參考圖5,其為汽相沉積法顯示出實際功率傳送量測與 玻璃片110上位置之關係，其圖i及4所示液晶可變型遲j帶器 雙折，性感測器1〇4來量測。該曲線圖顯示出在雙折射性 感+現ί器104自動移動過程中在370讓路徑長度上所作遲滞^ 目苗，該路徑包含25咖標定滑移以及275mm之玻璃片11〇。▼ 下列為使用本發明系統1〇〇及方法3〇〇之優點。 •本^明包含新穎的掃瞄技術，其中雙折射性量測數據點 之數目能夠大大地增加而不會實質地增加總量測時間。 :本發明新穎的掃瞄技術一項優點為優於傳統獨立掃目苗 技其大大地提高玻璃應力量測之空間解析度而不會^ 加時間。例如，對於以50腿/秒速度移動以及功率傳^讀曰取 !271572 速率為50Ηζ之雙折射性感測器，在大約⑽秒中在 二fOOOnm分佈長度能夠達成i職之取樣間隔。對於相同 ^佈利用傳統獨立掃瞄技術使用相同形式雙折射性感 _秒。該改善一項理由為在傳統獨立掃瞒 j術作為液晶可變型遲滞器雙折射性感測器作單一量測，

二，可變型遲滞驗定為_不_光學狀態以及記錄每 二光學狀態通過玻璃片110之光線傳送。當每一這些遲滯 ^皮設定時，在作穩定功率傳送量測前需要額外的時^讓 旦作调整以及設定。這些調整及設定時間通常對每一獨立 量測點為共同的，以及這些時間在傳統獨立篩選技術 質地為整體取樣時間。 、 .使用於本發明中所使用雙折射性感測器並不需要反射 光線離開反射鏡，該反射鏡位於玻璃片後面/底下，如圖i及 4所示。在該情況ητ,雙折射性感測器具有多個組件位於玻 璃片兩侧。 5 .使用於本發明中雙折射性感測器傳送無擴張光束至光 學材料，其能夠作掃瞄而避免損壞光束路徑中光學元件以 及月匕夠使用為南虛擬感測器。

•本發明掃目苗技術能夠使用任何雙折射性感測器，其中 ^何-個，雜制&含在不舰射及/錢測光學狀 態下，多次讀取。一項範例感測器說明於R· 〇ldenb〇urg等 人之丨’New p〇larized light microscope with precision universal compensator” J· Microscopy，V· 180，pp· 140-147, 1995及美國第5521705號專利中。另外i個雙折 射性感測裔範例為光彈性調變器(PEM)雙折射性感測器，其 洋細說明於 B· Wang et al· ’，A new instrument for measuring both the magnitude and angle of low level linear birefringence’’ Rev· Sci· Instrum·，V· 70， pp· 3847-3854，1999。 ’ 第12 頁 1271572 .上述所說明LCD玻璃片110能夠依據融合處理過程製造 出，該處理過程為製造使用於LCD玻璃片之優先技術，因為 與其他方法製造出玻璃片比較，融合處理過程製造出玻璃 片之表面具有優良的平坦性及光滑度。融合處理過程說明 於养國第3338696及3682609號專利中，這些專利在此加入 作為茶考之用。 、，雖然本發明優先實施例已列舉於附圖中以及說明於先 前詳細說明中，人們了解本發明並不受限於所揭示之實施 仁疋月匕夠作终多再組構，改變及替代而不會脫離下列申 請專利範圍所界定出之本發明的精神。 【圖式簡單說明】 第一圖為方塊圖，其顯示出本發明在玻璃片中量測應 力引起之雙折射性。 〜 第二圖Α為曲線圖，其顯示圖1所示系統中相對於玻璃 上夕個位置由雙折射性感測器量測之範例性功率傳送量測 值0 、 第二圖B為曲線圖，其顯示相對於玻璃片上多個位置雙 折射性婁i：值，其藉由分析圖2a中所顯示功率傳送量測分佈 而得到。 第,

圖為^程圖，其顯示出本發明在玻璃片中量測鹿 力引起之雙折射性方法的主要步驟。 … 第四圖詳細地顯示出液晶可變化遲滯雙折射性感測器 、、且件，其能夠使用於顯示於圖1中系統中。 σ 第五圖為曲線圖，其顯示出相對於玻璃上多個位置 ίίί傳送量測值，其由顯示於圖1及4之系統及液晶可養 化遲冰雙折射性感測器量測出。 附圖元件數字浮號說明： 2雙折射性系統⑽;計算機皿;雙折雛感測器 4，移動«1〇6;啟始點臟;終點1()813;光學材料 第13 頁 1271572 110;功率傳送量測Π2;玻璃片上位置114a，114b·.. 114f ;路徑115;光束116;功率傳送量測us, 120,122;雙折射 性數值124a，124b· ·· 124f;量測雙折射性方法3〇〇;雙折射 性感測态設定步驟302;重複步驟302處理過程重複次婁文與 ^折射性感測器中存在光學狀態數目相同3〇4;使用在光 ，材料上不同位置處量測功率傳送量測以計算出玻璃片上 ，一不同位置處雙折射性值3〇6;分析雙折射性值以決定 坡=片品質308;燈泡400;量測光束402;反射鏡404; ^則器406;干涉濾波器410;線性偏極器412;光遲滞器 ，416;正圓形分析儀418;遲滞器驅動器42〇。

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Claims (1)

1. 十、申請專利範圍·· ^「種量測光學材料雙折射性之方法，該方法包含下列步 玻測器為—種光學狀態以及以固定速度在 上，3定方向移動雙折射性感測器，同時在 多個不同位置處作功率傳送量測； 測哭設么3=复設定步驟，其中每-次雙折射性感 每多個不同位同時在光學材料上在 雔專概關1歡方法，射更進—步包含分析 又折射性值以決定出光學材料之品質。 斤 範圍第1項之方法，其中玻璃材料為玻璃片 液晶可變與滞賤娜_。 戌I為 5· 則光學材料雙折射性之系統，該系統包含： 汁鼻機； 雙折射性感測器； 移動雙折射性感測器於玻璃材料上之麥置· 声域卿設定絲—__及再以固定速 先献拍祕始點 帐感測器在光學材料上一組多個不同位置處作功 ί 專送至計算機，該雙折紐感測器再設定為 動裝置移動，同時在絲材料上在每一多個不同位方 it力率傳送量測，其傳送至計算機，以及重複該處理過 私，，、重稷次數決定於雙折射性感測器之光學狀態的數目， 第15 頁 1271572 析雙折射性值以決定出光學材料之品f。 1 片3·。依射請專利範圍第n項之方法，其中玻璃材料為玻璃 14·依據申請專利細第u項之方法中雔 為液晶可變型遲滞器雙折射性感測哭:、又、！"為 H制光學材料雙折射性之系統，該系統包含： 纤异機； 雙折射性感測器； 移動雙折射性感測器於玻璃材料上之穿置· 性感測器設定為第—光學狀^以及以固定速度 預先決定方向由啟始^ 。十了枝由雙折射性感測器得到光 置處之第-功率傳送量測；而上、、且夕個不同位 名射性感測器設定為第二光學狀態以及以固定速度 ΐί=3預先決定方向由終點移動至啟始點，同時 以得到先學材料上-組多個不同位 置得到光學材料上-組多個不同位 在奴鱗喊雜態錢關定速度 雙折射性感測器得到絲材料上一組多個不同位 置處之第四功率艇量剛 使一不同位置計算雙折射性值，其 千材枓上母一不同位_所量測之第一，第二 二及弟四功率傳送量測計算出。 ，乐 16·依據申請專利細第15項之系統，其中計算機分析該雙 1271572 折射性值以決定出光學材料之品質。 17. 依據申請專利範圍第15項之系統，其中光學材料為玻璃 片。 18. 依據申請專利範圍第15項之系統，其中雙折射性感測器 為液晶可變型遲滯器雙折射性感測器。 19. 依據申請專利範圍第15項之系統，其中移動裝置為步進 馬達驅動系統。 20. 依據申請專利範圍第15項之系統，其中移動裝置為直流 馬達以及球型螺旋驅動器。

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