专利名称：测量光学材料的双折射的系统和方法
相关申请本申请要求于2003年12月11日提交、申请号为10/733,792的美国专利申请的优先权，其内容引用在此作为参考。
背景技术：
发明领域本发明涉及一种系统和方法，用于通过测量并分析光学材料(例如，玻璃板)中的双折射(例如，应力导致的双折射，固有双折射)来确定该光学材料的质量。
相关技术双折射是各向异性的光学材料的一个特征，其中折射率取决于在该光学材料中穿行的光的偏振方向。例如，与左右振荡的偏振光相比，上下振荡的偏振光在穿过光学材料时可能偏转得更多。双折射可以是光学材料(例如，石英晶体)的物理结构所固有的，或者也可能是在光学材料(例如，玻璃板)中通过光弹性效应由物理应力所引入的。有许多公知的双折射传感器都可用来精确地测量光学材料中双折射的大小和方向，如下面列出的一些专利和文章所述·R.Oldenbourg等人，“Polarized Light Microscopy”(偏振光镜检)，美国专利号为5,521,705，1996年5月28日。
·R.Oldenbourg等人，“New polarized light microscope with precisionuniversal compensator”(具有精确万能补偿器的新偏振光显微镜)，J.Microscopy，V.180，第140-147页，1995年。
·B.Wang等人，“A new instrument for measuring both the magnitude andangle of low level linear birefringence”(用于测量低水平线性双折射的大小和角度的新仪器)Rev.Sci.Instrum.，V.70，第3847-3854页，1999年。
这些文章和专利的内容引用在此作为参考。
康宁公司已经开发出一种系统，可用公知的双折射传感器之一沿垂直于液晶显示器(LCD)玻璃板所在平面的光轴来测量应力导致的双折射。这些应力导致的双折射的测量被用来确定该玻璃板内部的应力水平，而应力水平则是玻璃板质量的指标。为了在玻璃板中执行精确的应力水平分析，沿着玻璃板的周边或者在玻璃板的区域上方，要求进行多次互不关联的双折射测量。为了获得每一个互不相关的双折射测量，系统首先将双折射传感器移动到玻璃板上的某一数据点。然后，系统让双折射传感器停在该数据点，同时该传感器在其多个光学状态中循环并进行多次功率透射测量，这些测量能够计算出该数据点处的单个双折射值。在确定了该数据点处的双折射值之后，系统将双折射传感器移动到玻璃板上的下一个数据点。然后，系统使双折射传感器停止，同时传感器在其多个光学状态中循环并进行多次功率透射测量，这些测量能够计算出该数据点处的单个双折射值。在玻璃板上的每一个数据点处都重复这种过程。
该常规系统具有一个缺点，它在玻璃板上一个数据点处执行计算双折射值所需的多次功率透射测量时要花相对较长的时间。并且可以理解，测量所得的双折射值的总数目会与总测量时间彼此有矛盾，因为大量的双折射测量可提供更佳的空间分辨率，而总测量时间却与双折射测量的次数成比例地增大。另一种已经被用来增大双折射测量的空间分辨率而并不花太多时间的常规系统包括使用扩束光学元件，将双折射传感器所发出的光学测量波束扩展以对玻璃板上更大的面积进行照明，并且使用像电荷耦合器件(CCD)阵列这样的像素化检测器。这种系统的灵敏度有限，因为CCD阵列具有较小的动态范围并且扩束光学元件会使偏振削弱。尽管上述两个系统能够使人们通过测量并分析玻璃板中应力导致的双折射来成功地确定该光学材料的质量，但是人们仍然期望提供一种可以克服常规系统的上述缺点和其它缺点的替换系统。这种需求和其它的需求正是由本发明的系统和方法来提供。
发明内容
本发明包括一种用来测量光学材料(例如，玻璃板)中的双折射(例如，应力导致的双折射，固有双折射)的系统和方法，其方式是可以增大双折射测量的取样密度，同时在基本上不增加测量时间的情况下保持提高后的空间分辨率。该方法是一种扫描技术，其中将双折射传感器设置成第一光学状态，然后在玻璃板上以恒定的速度在某一方向上移动，与此同时以高数据速率进行第一功率透射测量。在此次移动结束时，将双折射传感器设置成第二光学状态，然后以相同的速度在玻璃板上往回移动，与此同时进行第二功率透射测量。该过程的重复次数与双折射传感器中的光学状态的数目相同。然后，计算机用这些功率透射测量的分布图来计算双折射值，以便确定该玻璃板的质量。
参照结合附图进行的以下详细说明，便可以对本发明有更完整的理解，其中图1是示出根据本发明用于测量玻璃板中应力导致的双折射的较佳系统的方框图；图2A是示出由图1所示系统中的双折射传感器所测得的与玻璃板上位置有关的示例性功率透射测量的示图；图2B是示出与玻璃板上的位置有关的示例性双折射值的示图，这些双折射值是通过分析图2A中所示功率透射测量的分布图而获得的；图3是示出根据本发明用于测量玻璃板中应力导致的双折射的一种较佳方法的基本步骤的流程图；图4是详细示出可用于图1所示系统中的一种液晶可变延迟器双折射传感器的组件的示图；以及图5是示出与玻璃板上的位置有关的实际功率透射测量的示图，这些测量是由图1和4所示的系统和液晶可变延迟器双折射传感器所测量的。
具体实施例方式
参照图1-5，有若干与根据本发明用于测量光学材料110(例如，玻璃板110)中应力导致的双折射的系统100和方法300相关联的示图。尽管在对本发明的系统100和方法300的描述中测量的是光学材料110中应力导致的双折射，但是应该理解，本发明并不限于测量应力导致的双折射，而是还可以用来测量固有双折射或任何不管其来源的其它类型的双折射。
如图1所示，系统100包括计算机102、双折射传感器104和设备106(例如，步进马达驱动系统106，直羚动机和滚珠螺杆驱动器106)。设备106使双折射传感器104在玻璃板110上移动。在操作过程中，将双折射传感器104设置(图3中的步骤302)成第一光学状态，然后，设备106使双折射传感器104按预定的方向以基本恒定的速度在玻璃板110上从起始点108a移动到结束点108b，与此同时双折射传感器104发出并接收光学测量波束116，并沿玻璃板110上包括分立位置114a、114b…114f的路径115进行第一功率透射测量112(参看图1和2A)。第一功率测量112被发送到计算机102，然后将双折射传感器104设置成第二光学状态，且设备106使双折射传感器104在玻璃板110上按预定的方向以与之前相同的速度从结束点108b往回移动到起始点108a，与此同时双折射传感器104发出并接收光学测量波束116，并沿玻璃板110上包括分立位置114a、114b…114f的路径115进行第二功率透射测量118(参看图1和2A)。第二功率测量118被发送到计算机102，然后重复该过程(图3中的步骤304)，其重复次数与双折射传感器104中的光学状态的数目相同。在本示例中有四种光学状态，从而还要有两次功率透射测量120和122，它们也是沿玻璃板110上包括分立位置114a、114b…114f的路径115而测得的(参看图1和2A)。然后，一旦完成该过程(图3中的步骤302和304)，则计算机102通过使用功率透射测量112、118、120和122(参看图2A)的组合，来计算(图3中的步骤306)沿玻璃板110上路径115的或分立位置114a、114b…114f处的双折射值124a、124b…124f(参看图2B)。最后，计算机102分析(图3中的步骤308)双折射值124a、124b…124f(参看图2B)以便确定玻璃板110的质量。应该理解，图2A和2B中的两个曲线图并没有示出真实的数据，相反提供这些图是为了帮助描述系统100和扫描方法300的操作过程。
与常规的点到点扫描方法相比，上文所描述的并且在图3中示出的扫描方法300有了显著的改进。如上所述，在一个位置处要计算出一个双折射值的常规扫描方法中，双折射传感器必须在该位置处进行多次功率透射测量，其中针对双折射传感器中的每一种光学状态都进行一次功率透射测量。然后，将双折射传感器移到一个新位置，并且在新位置处执行不同光学状态下的另一组功率透射测量，以便能够计算该位置处的双折射值。在玻璃板上的每一个位置或数据点处重复该过程。结果，常规扫描方法所具有的双折射取样相当粗糙。相反，方法300中的扫描步骤的不同之处是，随着被设置成一种光学状态的双折射传感器104在玻璃板110上沿路径115的移动，在玻璃板110上的不同位置114a、114b…114f处进行第一功率透射测量112。这样，方法300便产生了作为玻璃板110上细密得多的相间隔位置114a、114b…114f的函数的第一功率透射测量112的分布图。然后，将双折射传感器104设置成第二光学状态，这样它便可以进行第二功率透射测量118。然后，双折射传感器104沿玻璃板110上的路径115往回移动，与此同时产生了作为玻璃板110上位置114a、114b…114f的函数的第二功率透射测量118的分布图。该过程重复n次，n取决于与双折射传感器104相关联的光学状态的数目。这样，便以非常细密的取样间隔记录下了第n个功率分布图。既然第n个功率透射测量112、118、120、122…读数的存在于路径115上的任何位置114a、114b、114c、114d、114e、114f…，那么便可以针对任一这些位置114a、114b、114c、114d、114e、114f…计算出双折射值124a、124b、124d、124e、124f…。这样，方法300的扫描技术的一个优点便是，它具有细密得多的双折射取样间隔，与常规的点到点扫描方法相比可在更短的时间周期内实现。当与常规的点到点扫描方法相比时，与方法300的扫描技术相关联的其它优点包括(例如)·在附加时间量很小的情况下具有改进极大的空间分辨率。
·双折射传感器104的性能稳定性得到增强，因为光路调节周期的数目大为减少。
·可以高数据速率地获取功率透射测量。
·测量成本有所降低，因为测量吞吐量显著提高。
参照图4，详细示出了可用于系统100中的液晶可变延迟器双折射传感器104的组件。双折射传感器104包括汞灯400，它发出光学测量波束402，波束402照射玻璃板110，然后被置于玻璃板110后面/下面的镜子404反射回去，然后穿过玻璃板110并进入通用的光功率计406(检测器406)。汞弧光灯400和检测器406之间的光路还包括在照射一侧，有干涉滤光片410(提供单色光)，线性偏振片412(安装时其轴与参考轴成0度)，以及一对可变的液晶电光延迟器414和416(其主要的慢轴分别与参考轴成45度和0度)。在玻璃板110的成像一侧的光路中并且在玻璃板110和检测器406之间的，是右旋圆形检偏器418。在本实施例中，可变的延迟器/电光调制器414和416都是液晶器件。在其它实施例中，可以使用其它可变的延迟器/电光调制器，比如，波克尔斯盒(Pockels cell)。相似的是，可以使用另一种光源，比如，白炽灯或激光器，来替代汞灯400。可以使用单色仪等来取代干涉滤光片410。正好位于玻璃板110之上的透镜的使用是可选的。
当用滤光片410和线性偏振片412首先对汞弧光灯400所产生的光线402进行滤光、选出一窄波带(例如，546毫米)并使其作为偏振光通过的时候，双折射传感器104才起作用。通过用延迟器驱动器420改变加在延迟器上的电压，可将液晶可变延迟器414和416设置到不同的光学状态。例如，在一个光学状态中，延迟器414充当四分之一(λ/4)波片而延迟器416则充当半波片(λ/2)。当被设置成四分之一波片时，可变延迟器414使线性偏振光402穿过它以便成为左旋圆偏振光。当被设置成半波片时，可变延迟器416使左旋圆偏振光402穿过它以便成为右旋圆偏振光。来自延迟器416的右旋圆偏振光402照射玻璃板110上的(例如)分立位置114d，并且在玻璃板110上光线所通过的任何区域中，任何线性双折射或二向色性都会致使通过该区域的光线变为椭圆偏振。当被镜子404反射后，该椭偏光402将其手性从右旋变为左旋。当光线402往回穿过玻璃板110时，便遭遇了附加的偏振旋转。因此，右旋圆检偏器418所接收到的图像包含椭偏光402。来自玻璃板110上各分立位置114a、114b…114f处的、穿过右旋圆检偏器418的光线402的量以及落在检测器406上的光线402的强度都取决于光线402的椭偏程度。由入射到检测器406上的光线402所产生的图像(比如，第一功率透射测量112)以相对快速的取样速率加以记录。来自检测器406的信号被数字化并被转变为用于表示强度/功率透射测量122(例如)的整数值。该信息被发送到计算机102。然后，在双折射传感器104在玻璃板110上再次移动之前，由延迟器驱动器420来改变加在延迟器414和416上的电压，从而改变光学状态，或者改变入射到玻璃板110上各分立位置114a、114b…114f处的光线402的椭偏率、以及入射到检测器406上的光线402的强度。双折射传感器104在玻璃板110上来回作不同移动的总次数取决于延迟器414和416要获得足够的功率透射测量112、118、120和122所需要改变的光学状态的数目，从而使计算机102能够确定玻璃板110上相应位置114a、114b…114f处的双折射值124a、124b…124f。通过阅读在R.Oldenbourg等人的“New polarized light microscope with precision universalcompensator”(J.Microscopy，V.180，第140-147页，1995年)中以及美国专利5,521,705中的另一种双折射传感器，便可发现与这种特定的双折射传感器104的组件和操作过程有关的更多细节。该文章和专利的内容被引用在此。应该理解，当与像R.Oldenbourg的文章中所论及的一种传统双折射检测器相比时，本申请中所使用的双折射传感器104具有增强的性能。
参照图5，示出了实际功率透射测量对玻璃板110上的位置的曲线图，这些测量是由图1与4所示的系统100和液晶可变延迟器双折射传感器104所测得的(与图2A比较)。该曲线图中示出的延迟扫描出现在双折射传感器104在370毫米路径上自动移动期间，该370毫米路径长度包括25毫米的校准滑动和275毫米的玻璃板110。
下面是本发明的系统100和方法300的一些优点和用途·本发明包括一种新的扫描技术，其中双折射测量数据点的数目大大增加，而总的测量时间基本上没有增加。
·与常规的分立扫描技术相比，本发明的新扫描技术的一个优点在于，它在时间基本上没有增加太多的情况下极大地提高了用于玻璃应力测量的空间分辨率。例如，对于移动速度为50毫米/秒并且功率透射读取数据速率为50Hz的双折射传感器而言，在估计的160秒内可对玻璃板上2000毫米的轮廓长度实现1毫米的取样间隔。对于具有常规分立扫描技术的相同轮廓而言，使用相同类型的双折射传感器估计将用去8000秒。这种改进的原因之一在于，在当液晶可变延迟器双折射传感器进行单次测量时的常规分立扫描技术中，一对可变延迟器被设置成四种不同的光学状态，并且针对每一种光学状态记录通过玻璃板110的光透射。无论何时设置这些延迟器中的每一个，在可以进行稳定的功率透射测量之前，都需要附加的时间来容许LC调节和稳定。对于各个分立的测量点而言，这些调节和稳定的时间都是共同的，并且在常规的分立扫描技术中它们实质上都提供给了整个取样测量时间。
·本发明中所使用的双折射传感器并不需要像图1和4所示的那样将光线从位于玻璃板后面/下面的镜子上反射掉。相反，可将双折射传感器配置成光线只通过玻璃板一次。在这种情况下，双折射传感器将在玻璃板两侧都具有多个组件。
·本发明中所使用的双折射传感器将未经扩展的光束发送到光学材料上，这使扫描步骤能够避免在光路中添加削弱性能的光学元件，并且也使得高性能检测器能够得以使用。
·本发明的扫描技术可以使用任何双折射传感器，其中任何一次双折射测量包括在不同的发射和/或检测光学状态下的多次读取。R.Oldenbourg等人的“New polarized light microscope with precision universal compensator”(J.Microscopy，V.180，第140-147页，1995年)以及美国专利5,521,705中详细描述的传感器便是一个示例。这种双折射传感器的另一个示例是B.Wang等人在“A new instrument for measuring both the magnitude and angle of low levellinear birefringence”(Rev.Sci.Instrum.，V.70，第3847-3854页，1999年)中详细描述的光弹性调制器(PEM)双折射传感器。
·上述LCD玻璃板110可以根据熔融工艺来制备，熔融工艺是生产LCD用玻璃板的较佳技术，因为与其它方法生产的板相比，熔融工艺生产的板的表面具有更佳的平整性和平滑度。美国专利3,338,696和3,682,609描述了这种熔融工艺，其内容引用在此作为参考。
尽管本发明的一个实施例已在附图中示出并已在前面的详细说明中描述，但是应该理解，本发明并不限于所揭示的实施例，而是能够在不背离权利要求书所阐明并界定的本发明的精神的情况下做出许多的再排列、修改和替换。
权利要求
1.一种用于测量光学材料中的双折射的方法，所述方法包括如下步骤将双折射传感器设置成某一光学状态，并且使所述双折射传感器在预定的方向上按基本上恒定的速度在所述光学材料上移动，与此同时在所述光学材料上多个分立位置的每一处进行功率透射测量；重复所述设置步骤预定的次数，其中每一次所述双折射传感器都被设置成预定数目的光学状态之一，并且在预定的方向上按基本上恒定的速度在所述光学材料上移动，与此同时在所述光学材料上多个分立位置的每一处进行功率透射测量；并且用所述光学材料上每一个分立位置处测得的功率透射测量结果的组合来计算所述光学材料上各分立位置的双折射值。
2.如权利要求1所述的方法，还包括分析所述双折射值以确定所述光学材料的质量的步骤。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学材料是玻璃板。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述双折射传感器是液晶可变延迟器双折射传感器。
5.一种系统，它包括计算机；双折射传感器；用于使所述双折射传感器在所述光学材料上移动的设备；以及所述双折射传感器被设置成第一光学状态，然后，所述设备使其在预定的方向上按基本上恒定的速度从所述光学材料上的起始点移动到结束点，与此同时所述双折射传感器在所述光学材料上多个分立位置的每一处进行第一功率透射测量，所述第一功率透射测量结果被发送到所述计算机，然后，所述双折射传感器被设置成第二光学状态，所述设备使其在预定的方向上按基本上恒定的速度从所述光学材料上的结束点移动到起始点，与此同时所述双折射传感器在所述光学材料上多个分立位置的每一处进行第二功率透射测量，所述第二功率透射测量结果被发送到所述计算机，这个过程重复许多次，重复的次数取决于与所述双折射传感器相关联的光学状态的数目，然后，一旦这个过程完成，所述计算机就用所述光学材料上各分立位置处测得的功率透射测量结果的组合来计算所述光学材料上各分立位置的双折射值。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述计算机分析所述双折射值以确定所述光学材料的质量。
7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述光学材料是玻璃板。
8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述双折射传感器是液晶可变延迟器双折射传感器。
9.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述设备是步进马达驱动系统。
10.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述设备是直羚动机和滚珠螺杆驱动器。
11.一种用于测量光学材料中的双折射的方法，所述方法包括如下步骤将双折射传感器设置成第一状态，并且使所述双折射传感器在预定的方向上按基本上恒定的速度从所述光学材料上的起始点移动到结束点，与此同时在所述光学材料上多个分立的位置处进行第一功率透射测量；将双折射传感器设置成第二状态，并且使所述双折射传感器在预定的方向上按基本上恒定的速度从所述光学材料上的结束点移动到起始点，与此同时在所述光学材料上多个分立的位置处进行第二功率透射测量；将双折射传感器设置成第三状态，并且使所述双折射传感器在预定的方向上按基本上恒定的速度从所述光学材料上的起始点移动到结束点，与此同时在所述光学材料上多个分立的位置处进行第三功率透射测量；将双折射传感器设置成第四状态，并且使所述双折射传感器在预定的方向上按基本上恒定的速度从所述光学材料上的结束点移动到起始点，与此同时在所述光学材料上多个分立的位置处进行第四功率透射测量；并且用所述光学材料上各分立位置处测得的第一、第二、第三和第四功率透射测量结果来计算所述光学材料上各分立位置处的双折射值。
12.如权利要求11所述的方法，还包括分析所述双折射值以确定所述光学材料的质量的步骤。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述光学材料是玻璃板。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述双折射传感器是液晶可变延迟器双折射传感器。
15.一种用于测量光学材料中的双折射的系统，所述系统包括计算机；双折射传感器；用于使所述双折射传感器在所述光学材料上移动的设备；所述双折射传感器被设置成第一光学状态，并且所述设备使所述双折射传感器在预定的方向上按基本上恒定的速度从所述光学材料上的起始点移动到结束点，与此同时所述计算机从所述双折射传感器中获得所述光学材料上多个分立位置中每一处的第一功率透射测量结果；所述双折射传感器被设置成第二光学状态，并且所述设备使所述双折射传感器在预定的方向上按基本上恒定的速度从所述光学材料上的结束点移动到起始点，与此同时所述计算机从所述双折射传感器中获得所述光学材料上多个分立位置中每一处的第二功率透射测量结果；所述双折射传感器被设置成第三光学状态，并且所述设备使所述双折射传感器在预定的方向上按基本上恒定的速度从所述光学材料上的起始点移动到结束点，与此同时所述计算机从所述双折射传感器中获得所述光学材料上多个分立位置中每一处的第三功率透射测量结果；所述双折射传感器被设置成第四光学状态，并且所述设备使所述双折射传感器在预定的方向上按基本上恒定的速度从所述光学材料上的结束点移动到起始点，与此同时所述计算机从所述双折射传感器中获得所述光学材料上多个分立位置中每一处的第四功率透射测量结果；并且所述计算机用所述光学材料上各分立位置处测得的第一、第二、第三和第四功率透射测量结果的组合来计算所述光学材料上各分立位置处的双折射值。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述计算机分析所述双折射值以确定所述光学材料的质量。
17.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述光学材料是玻璃板。
18.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述双折射传感器是液晶可变延迟器双折射传感器。
19.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述设备是步进马达驱动系统。
20.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述设备是直羚动机和滚珠螺杆驱动器。
全文摘要
本文揭示了一种系统和方法，用于通过测量并分析光学材料(例如，玻璃板)中的双折射(例如，应力导致的双折射，固有双折射)来确定该光学材料的质量。该方法是一种扫描技术，其中将双折射传感器设置成第一光学状态，然后该双折射传感器沿某一方向以恒定的速度在玻璃板上移动，与此同时以高数据速率进行第一功率透射测量。在此次移动结束时，将双折射传感器设置成第二光学状态，然后以相同的速度在玻璃板上往回移动，与此同时进行第二功率透射测量。重复该过程，其重复次数与双折射传感器中的光学状态的数目相同。然后，计算机用功率透射测量的分布图来计算双折射值，以便确定该玻璃板的质量。
文档编号G01N21/21GK1894568SQ200480037088
公开日2007年1月10日 申请日期2004年11月29日 优先权日2003年12月11日
发明者R·W·夏普斯 申请人:康宁股份有限公司