KR101373709B1 - The measurement device and the method of the principle axis and retardation of the 3-dimensional film - Google Patents
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Abstract
2차원 검출기의 한쪽 방향으로는 3차원 필름의 확대 또는 축소한 상을 만들고 다른 방향으로는 각 상점의 켤레점(conjugate point)에서 나온 빛의 두 직교 전기장 성분의 간섭무늬가 생기도록 비균등 광학계(anamorphic optical system)를 구성하여 움직이는 부분 없이 위상차와 주축을 잴 수 있는 장치와 그 데이터 처리 방식에 관한 발명이다.
시료에서 나온 빛은 원형렌즈(spherical lens)와 쐐기형 복굴절 프리즘(birefringence wedge), 검광판과 원통렌즈(cylindrical lens)를 차례로 지난 후 2차원 검출기에 입사한다. 쐐기형 복굴절 프리즘은 두 직교 전기장 성분의 위상차를 위치에 따라 연속적으로 바꾸는 구실을 하고, 검광판은 전기장의 두 직교성분을 결합하여 서로 중첩하여 간섭하게 한다. 원통렌즈는 곡률이 있는 방향만 결상하여 상기의 2차원 신호를 만든다. 데이터 처리과정을 거쳐 3차원 필름의 주축과 위상차의 1차원 분포를 결정한다.In one direction of the two-dimensional detector, an enlarged or reduced image of the three-dimensional film is created, and in the other direction, an uneven optical system is produced so that an interference pattern of two orthogonal electric field components of light from each store's conjugate point is generated. The present invention relates to an apparatus capable of measuring a phase difference and a main axis without moving parts by forming an anamorphic optical system and a data processing method thereof.
The light from the sample passes through a spherical lens, a wedge-shaped birefringence wedge, an analyzer plate and a cylindrical lens and then enters a two-dimensional detector. The wedge-shaped birefringent prism serves as a function of continuously changing the phase difference of two orthogonal electric field components according to the position, and the analyzer plate combines the two orthogonal components of the electric field to interfere with each other. The cylindrical lens forms only the direction in which the curvature is present to produce the two-dimensional signal. The data processing process determines the one-dimensional distribution of the principal axis and phase difference of the three-dimensional film.
Description
본 발명은 3차원 필름의 주축과 위상차 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 편광판과 3차원 필름을 통과한 빛이 복굴절 프리즘과 검광판을 차례로 통과하여 간섭무늬가 결상하고, 간섭무늬로부터 3차원 필름의 주축과 위상차를 계산하는 3차원 필름의 주축과 위상차의 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a main axis and a phase difference measuring apparatus and a measuring method of a three-dimensional film, and more particularly, light passing through the polarizing plate and the three-dimensional film passes through the birefringent prism and the inspection plate in order to form an interference fringe, interference pattern The apparatus and the measuring method of the principal axis and the phase difference of the three-dimensional film for calculating the phase axis and the phase difference of the three-dimensional film.
위상차는 검광판 또는 보상판을 고속 회전하는 타원계(ellipsometer)를 사용하거나 위상이동법(phase stepping method)을 이용하여 측정한다. 이 경우 움직이는 부분이 필요하여 측정시간이 수십 밀리 초보다 짧기 어렵다.The phase difference is measured by using an ellipsometer which rotates the analyzer plate or the compensation plate at high speed or by using a phase stepping method. In this case, moving parts are required, so the measurement time is less than tens of milliseconds.
이와 같은 문제점을 극복하기 위해 움직이는 부분 없이 위상을 연속적으로 바꿀 수 있는 기술이 논문으로 발표되었다(Suezou Nakadate, "High precision retardation measurement using phase detection of Young's fringes" Appl. Opt. 29, 242-246(1990)). 상기 발표된 논문에서는 쐐기형 복굴절 프리즘을 써서 측정할 빛의 두 직교 전기장 성분의 위상차를 위치에 따라 연속적으로 바꾸어 잰 간섭무늬로부터 위상차를 정밀하게 결정하였다. 논문에서는 주축을 미리 정렬하여 맞췄고 측정영역도 3차원 필름의 시료의 한 곳이다.To overcome this problem, a technique for continuously changing phases without moving parts has been published (Suezou Nakadate, "High precision retardation measurement using phase detection of Young's fringes" Appl. Opt. 29, 242-246 (1990). )). In this paper, the phase difference is precisely determined from the interference fringes by continuously changing the phase difference of two orthogonal electric field components of light to be measured using a wedge birefringent prism. In this paper, the principal axis is pre-aligned and the measurement area is one of the samples of the 3D film.
도 1은 종래 기술을 나타내는 위상차 측정을 위한 공통경로 간섭계의 얼개그림이다. 1 is a schematic diagram of a common path interferometer for phase difference measurement showing the prior art.
도 1에 도시된 바와 같이, 레이저에서 출력되는 빛은 편광된 빛으로 편광방향이 시료인 위상판(도 1의 retarder)의 주축에 대해서 45°에 맞춰져 있다. 시료를 지나온 빛은 대물렌즈에 의해 확대된 후 쐐기형 복굴절 프리즘(birefringent wedge)에 입사한다. 쐐기형 복굴절 프리즘의 광축(z-z')은 시료의 주축 방향과 나란하게 정렬되어 있어야 한다. 쐐기형 복굴절 프리즘 뒤에 있는 검광판(polarizer)의 투과축 방향은 복굴절 프리즘의 광축에 대해서 45° 돌아가 있다. 이후 1차원 검출기를 써서 간섭무늬를 잰다.As shown in FIG. 1, the light output from the laser is polarized light and is set to 45 ° with respect to the main axis of the phase plate (retarder of FIG. 1) whose polarization direction is a sample. The light passing through the sample is magnified by an objective lens and then incident on a wedge-shaped birefringent wedge. The optical axis (z-z ') of the wedge-shaped birefringent prism should be aligned with the direction of the major axis of the sample. The direction of the transmission axis of the polarizer behind the wedge birefringence prism is 45 ° to the optical axis of the birefringence prism. Afterwards, the interference fringe is measured using a one-dimensional detector.
시료가 없을 때의 간섭무늬의 수학식은 아래와 같다.The equation of the interference fringe when there is no sample is as follows.
χ는 1차원 검출기 방향의 공간좌표(기준점에서의 거리)이고, f와 φ0는 각각 공간 주파수와 검출기 기준점에서 두 직교 전기장 성분의 위상차이다.χ is the spatial coordinate (distance from the reference point) in the one-dimensional detector direction, and f and φ 0 are the phase difference between the two orthogonal electric field components at the spatial frequency and the detector reference point, respectively.
시료가 장착된 후의 간섭무늬의 수학식은 다음과 같다.The equation of the interference fringe after the sample is mounted is as follows.
δφ는 시료의 위상차이고 아래의 관계식에 따라 구한다.δφ is the phase difference of the sample and is calculated according to the following relationship.
, (i=1,2) , (i = 1,2)
. .
공간 주파수 f는 본격적인 측정이 이루어지기 전인 보정과정에서 미리 재어 알고 있어야 한다. 한 번의 측정으로 위상차를 정밀하게 잴 수 있는 장점이 있지만 시료의 주축이 장치의 주축과 정밀하게 정렬되어 있어야 한다. 게다가 측정은 시료의 한 점에서 이루어진다.The spatial frequency f must be known in advance during the calibration process before full measurement is made. The advantage of being able to precisely measure the phase difference in one measurement is that the major axis of the sample must be precisely aligned with the major axis of the device. In addition, measurements are made at one point on the sample.
본 발명은 3차원 필름의 제조 과정에서 주축과 위상차를 실시간으로 평가하기 위해 필요한 기술로써, 필름의 1차원 영역에서의 주축과 위상차를 실시간으로 함께 측정할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.The present invention is a technique necessary for evaluating the principal axis and the phase difference in real time in the manufacturing process of the three-dimensional film, to provide a technique that can be measured in real time with the principal axis and the phase difference in the one-dimensional region of the film.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따른 3차원 필름의 주축과 위상차의 측정방법은 선광원, 편광판, 쐐기형 복굴절 프리즘, 검광판을 차례로 배치하는 단계; 상기 편광판과 쐐기형 복굴절 프리즘 사이에 3차원 필름을 수직방향으로 이동시키면서 선광원에서 나와 편광판에 의해 편광된 빛이 3차원 필름을 통과하도록 하는 단계; 상기 3차원 필름을 통과한 빛이 상기 쐐기형 복굴절 프리즘과 검광판을 차례로 통과하여 간섭무늬를 형성시키는 단계; 및 상기 간섭무늬로부터 상기 3차원 필름의 주축(Θ)과 위상차(Φ)를 계산하여 구하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the measuring method of the main axis and the phase difference of the three-dimensional film according to the present invention comprises the steps of arranging a linear light source, a polarizing plate, a wedge-shaped birefringent prism, an analyzer; Allowing the light polarized by the polarizing plate to pass through the three-dimensional film while moving the three-dimensional film vertically between the polarizing plate and the wedge-shaped birefringent prism; Light passing through the three-dimensional film passes through the wedge-shaped birefringent prism and the spectrometer in order to form an interference fringe; And calculating and calculating a principal axis Θ and a phase difference Φ of the three-dimensional film from the interference fringes.
또한, 본 발명은 상기 검광판의 각도를 미리 정해진 3차원 필름의 조건에 맞도록 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that it comprises the step of adjusting the angle of the analyzer to meet the conditions of a predetermined three-dimensional film.
또한, 본 발명은 상기 편광판을 3차원 필름의 위치에 두고 측정한 간섭무늬로부터 얻어진 기준 주축 및 위상차를 이용하여 상기 3차원 필름의 주축 및 위상차를 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that it comprises the step of correcting the main axis and the phase difference of the three-dimensional film by using the reference axis and the phase difference obtained from the interference fringe measured by placing the polarizing plate in the position of the three-dimensional film.
또한, 본 발명에 따른 3차원 필름의 주축과 위상차의 측정장치는, 3차원 필름의 주축과 위상차를 측정하기 위한 측정장치에 있어서, 3차원 필름의 주축과 위상차를 측정하기 위한 측정장치에 있어서, 상기 3차원 필름에 빛을 비추는 선광원과; 상기 선광원과 3차원 필름 사이의 빛의 경로에 위치하는 편광판과; 상기 3차원 필름을 통과한 빛을 나란하게 하는 시준 광학계와; 상기 시준 광학계를 통과한 빛의 두 직교 전기장 성분의 위상차를 위치에 따라 연속적으로 바꾸는 쐐기형 복굴절 프리즘과; 상기 쐐기형 복굴절 프리즘에 생긴 전기장의 두 직교성분을 결합하여 서로 중첩하여 간섭하게 하는 검광판과; 상기 검광판을 통과한 빛을 결상하여 2차원 신호를 만드는 원통렌즈와; 상기 원통렌즈를 통과한 빛에 의해 생긴 간섭무늬를 재는 2차원 검출기와; 상기 간섭무늬를 분석하여 3차원 필름의 주축과 위상차를 구하는 데이터 분석장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the measuring device for measuring the main axis and the phase difference of the three-dimensional film according to the present invention, in the measuring device for measuring the main axis and phase difference of the three-dimensional film, in the measuring device for measuring the main axis and phase difference of the three-dimensional film, A line light source that shines light on the three-dimensional film; A polarizing plate positioned in a path of light between the linear light source and the 3D film; A collimation optical system for paralleling light passing through the 3D film; A wedge-shaped birefringent prism which continuously changes the phase difference between two orthogonal electric field components of the light passing through the collimating optical system according to the position; An inspection plate which combines two orthogonal components of the electric field generated in the wedge birefringence prism so as to overlap and interfere with each other; A cylindrical lens for forming a two-dimensional signal by forming light passing through the detector plate; A two-dimensional detector measuring an interference fringe caused by light passing through the cylindrical lens; And a data analysis device for analyzing the interference fringe to obtain a retardation and a principal axis of the 3D film.
또한, 본 발명은 상기 쐐기형 복굴절 프리즘에는 상기 쐐기형 복굴절 프리즘의 중심부와 두께가 같고 광축은 직교하는 복굴절 판이 덧붙여지며, 이로 인해 중심부의 알짜 위상차가 0이 되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that the wedge-shaped birefringent prism is added with a birefringent plate having the same thickness as the center of the wedge-shaped birefringent prism and having an optical axis that is orthogonal, and thus the net retardation of the center is zero.
또한, 상기 시준 광학계와 3차원 필름 사이에 결상 광학계와 슬릿이 구비되고, 상기 결상 광학계는 시료의 상을 상기 슬릿에 만들고 상기 시준 광학계가 슬릿의 개구부를 통과하는 빛을 나란하게 만드는 것을 특징으로 한다.In addition, an imaging optical system and a slit are provided between the collimating optical system and the three-dimensional film, and the imaging optical system makes an image of the sample in the slit, and the collimating optical system makes the light passing through the opening of the slit side by side. .
또한, 상기 광원에서 나오는 빛의 가간섭 길이를 조절하기 위한 대역투과 필터가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.In addition, the band pass filter for adjusting the interference length of the light emitted from the light source is characterized in that it is further provided.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은 3차원 필름의 제조 과정에서 주축과 위상차를 실시간으로 평가하기 위해 필요한 기술로써, 필름의 1차원 영역에서의 주축과 위상차를 실시간으로 함께 측정할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.The present invention made as described above is a technique required to evaluate the main axis and the phase difference in real time in the manufacturing process of the three-dimensional film, it can provide a technology that can measure the main axis and phase difference in the real time in the one-dimensional region of the film together in real time have.
또한, 본 발명의 주 목적은 3차원 필름의 주축과 위상차를 재는 것이나 측정 대상이 3차원 필름에 국한되지 아니하고 일반적인 위상판의 주축과 위상차를 재는 경우도 포함한다. In addition, the main object of the present invention is to measure the retardation and the main axis of the three-dimensional film, but also includes the case where the measurement object is not limited to the three-dimensional film, but the main axis and the retardation of the general phase plate.
도 1은 종래의 쐐기형 복굴절 프리즘을 이용한 위상차 측정방법의 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 주축 및 위상차 측정장치.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 주축 및 위상차 측정장치.
도 4a 내지 4b는 본 발명에 따른 쐐기형 복굴절 프리즘에 복굴절 프리즘을 덧붙인 것을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 측정화면.
도 6a 내지 6b는 본 발명에 따른 측정결과.1 is a schematic diagram of a phase difference measuring method using a conventional wedge birefringent prism.
2 is a main axis and phase difference measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a main axis and phase difference measuring apparatus according to another embodiment of the present invention.
4A to 4B show the addition of a birefringent prism to a wedge-shaped birefringent prism according to the present invention.
5 is a measurement screen according to the present invention.
6a to 6b is a measurement result according to the present invention.
본 발명은 3차원 필름의 제조과정에서 주축과 위상차를 실시간으로 평가하기 위해 필요한 기술로서, 필름의 1차원 영역에서의 주축과 위상차를 실시간으로 함께 잴 수 있는 기술에 관한 것이다. 3차원 필름은 위상차는 90°로 일정하지만 주축이 일정한 간격마다 +45°와 -45°로 번갈아 있는 필름이다.The present invention relates to a technique required for real-time evaluation of the principal axis and the phase difference in the manufacturing process of the three-dimensional film, and relates to a technology that can measure the principal axis and the phase difference in the real-time in the one-dimensional region of the film. The three-dimensional film is a film with a phase difference of 90 ° but a major axis alternates between + 45 ° and -45 ° at regular intervals.
<주축과 위상차의 측정><Measurement of spindle and phase difference>
투과축의 방위각이 P인 편광판에 의해 편광된 빛이 시료를 지나온 후의 존즈벡터는 아래와 같은 꼴을 한다.The Jones vector after the light polarized by the polarizing plate whose azimuth angle of the transmission axis passes through the sample is as follows.
E0는 규격화한 전기장 진폭으로 |Ex|2+|Ey|2=1이 되도록 한다. x축과 y축 방향의 전기장의 진폭은 각각 E0|Ex|와 E0|Ey|이고 위상은 각각 φx와 φy이다. 광축이 x축과 나란한 쐐기형 복굴절 프리즘과 투과축의 방위각이 A인 검광판을 차례로 지난 후 검출기의 신호는 아래와 같은 꼴이다.E 0 is the normalized field amplitude so that | E x | 2 + | E y | 2 = 1. The amplitudes of the electric fields in the x- and y-axis directions are E 0 | E x | and E 0 | E y | and the phases are φ x and φ y, respectively. After passing through a wedge-shaped birefringent prism with an optical axis parallel to the x-axis, and a spectroscopic plate with an azimuth of A, the signal is as follows.
여기에서, φxy≡ φx-φy, Ix≡|Ex|2, Iy≡|Ey|2이고, I0≡|E0|2이다. χ는 검출기의 기준점으로부터의 거리이고, κ는 검출기를 따라 단위 길이만큼 이동했을 때 x, y 전기장 성분의 위상차인데, 쐐기형 복굴절 프리즘의 모서리각과 광원의 파장에 의해 결정된다. φ0는 수학식 1에서와 같이 검출기 기준점에서 두 직교 전기장 성분의 위상차이다. 수학식 5를 다시 정리하면 다음과 같다. Here, φ xy ≡ φ x -φ y , I x ≡ | E x | 2 , I y ≡ | E y | 2 , and I 0 ≡ | E 0 | 2 . χ is the distance from the detector's reference point and κ is the phase difference of the x and y electric field components as it travels along the detector by the unit length, determined by the edge angle of the wedge-shaped birefringent prism and the wavelength of the light source. φ 0 is the phase difference between two orthogonal electric field components at the detector reference point as in
, ,
, ,
, ,
, ,
. .
n번째 화소의 측정한 간섭무늬를 I(n)으로 놓으면 수학식 6의 계수는 아래와 같이 구할 수 있다.If the measured interference fringe of the n-th pixel is set to I (n), the coefficient of Equation 6 can be obtained as follows.
여기에서 Λ는 화소의 크기이다.Where Λ is the size of the pixel.
아래와 같이 s1'를 s1'≡Ix'-'Iy'와 같이 정의하면 다음과 같은 관계가 성립한다.If s 1 'is defined as s 1 ' ≡I x '- ' I y 'as shown below, the following relationship is established.
수학식 10에서 s1'이 항상 양수(또는 음수)가 되도록 검광판 투과축의 방위각 A를 정할 수 있다. s1'이 항상 양수인 경우는 Ix'>'Iy'이 되어야 하는데 수학식 6에서 정의한 것에 따라 Ix 'Iy인 경우 검광판 투과축의 방위각 A를 45°보다 조금 작게 맞추면 된다. 본 발명에서는 3차원 필름과 같이 위상차가 거의 90° 근처에 있고 주축이 ±45° 근처에 있는 제한된 범위의 (선형)위상판의 주축과 위상차를 정밀하게 재는 것이 목적이므로 필름의 양산 조건에 맞게 검광판 투과축의 방위각 A를 조절하여 맞추면 s1'이 항상 양수(또는 음수)가 되게 할 수 있다. 이 조건에서 벗어나는 경우 양산조건이 크게 훼손된 경우이고 또 그 경우에는 육안이나 기타 간단한 방식으로 불량을 쉽게 찾아낼 수 있으므로 그와 같은 경우는 본 발명의 관심 밖의 사항이다.In
수학식 6에서 정의한 것에 따라 Ix'+'Iy'=1이고, s1'이 항상 양수(또는 음수)인 조건을 써서 Ix','Iy'와 φxy를 먼저 구하고 Ix,'Iy를 구하면, 수학식 4의 존즈벡터에 대응하는 스토크스계수(Stokes parameter)의 편광성분은 아래와 같이 구해진다.As defined in Equation 6 I x '+' I y '= 1 and, s 1' is always writing to the condition positive (or negative) I x ',' to obtain the I y 'and φ xy first I x, When I y is obtained, the polarization component of the Stokes parameter corresponding to the Jones vector of Equation 4 is obtained as follows.
수학식 11의 스토크스 벡터는 편광방향이 P인 선편광이 시료(선형위상판)을 지난 다음의 스토크스 벡터이다. 따라서 시료인 위상판은 입사편광 (cos(2P)sin(2P)0)을 수학식 11의 편광으로 바꾸는 역할을 한다. 이 같은 변환은 뽀앙카레 공(Poincare Sphere)에서 회전변환으로 바꿔 나타낼 수 있다. 입사편광 가 회전변환 (: 회전축, Ω: 회전각)에 의해 편광 가 된 경우의 회전변환 관계식은 다음과 같다.The Stokes vector of
여기에서 회전변환은 시료의 주축이 Θ일 때 회전축이 n=(cos(2Θ)sin(2Θ)0) T이고 회전각 Ω는 시료의 위상차 Φ와 같다. 수학식 12에 따라 정리하면 시료의 주축 Θ와 위상차 Φ는 아래와 같이 구해진다.Here, the rotation transformation is the rotation axis n = (cos (2Θ) sin (2Θ) 0) T when the principal axis of the sample is Θ and the rotation angle Ω is equal to the phase difference Φ of the sample. Summarizing according to
시료의 1차원 영역의 주축과 위상차 분포를 실시간으로 재기 위해서 본 발명에서는 2차원 검출기를 써서 검출기의 한쪽 방향으로는 시료의 1차원 영역을 결상하고 그 수직 방향으로는 각각의 켤레점의 두 직교 성분의 간섭무늬를 만들도록 하였다. 이 같은 구실을 하도록 검출기 앞에 원통렌즈을 두고 렌즈의 초평면에 검출기를 뒀다. 시료에서 나와 시준된 빛을 검출기에 결상하지만 그 직교 방향으로 결상하지 않고 길게 간섭무늬를 만든다. 이와 같은 본 발명의 실시예를 도 2에 나타내었다. 도 2의 3차원 필름의 시료(20)의 상부에 표기된 화살표는 시료(20)의 이동방향을 나타낸다.In order to measure the principal axis and phase difference distribution of the one-dimensional region of the sample in real time, the present invention uses a two-dimensional detector to form a one-dimensional region of the sample in one direction of the detector and two orthogonal components of each conjugate point in the vertical direction thereof. To create an interference fringe. To do this, a cylindrical lens was placed in front of the detector, and the detector was placed on the hyperplane of the lens. The collimated light from the sample is imaged on the detector, but without interference in the orthogonal direction. This embodiment of the present invention is shown in FIG. The arrow marked on the upper part of the
도 2를 참조하면, 상기 3차원 필름에 빛을 비추는 선광원(10)과; 상기 선광원과 3차원 필름 사이의 빛의 경로에 위치하는 편광판(11)과; 상기 3차원 필름을 통과한 빛을 나란하게 하는 시준 광학계(14)와; 상기 시준 광학계를 통과한 빛의 두 직교 전기장 성분의 위상차를 위치에 따라 연속적으로 바꾸는 쐐기형 복굴절 프리즘(15)과; 상기 쐐기형 복굴절 프리즘에 생긴 전기장의 두 직교성분을 결합하여 서로 중첩하여 간섭하게 하는 검광판(16)과; 상기 검광판을 통과한 빛을 결상하여 2차원 신호를 만드는 원통렌즈(17)와; 상기 원통렌즈를 통과한 빛에 의해 생긴 간섭무늬를 재는 2차원 검출기(30)로 이루어진다.2, a
2차원 검출기에서 얻어진 간섭무늬의 결과에 의해 데이터 분석장치에서 시료의 주축과 위상차를 계산하여 구하게 된다.Based on the result of the interference fringe obtained from the two-dimensional detector, the data analysis device calculates and obtains the principal axis and phase difference of the sample.
본 발명에서는 1차원 측정을 해야 하므로 선광원을 광원으로 써야 한다. 보통 LED를 여러 개 결합하여 만든 백라이트(backlight)를 쓰는데 LED는 레이저에 비해 가간섭 길이가 짧다. 가간섭 길이가 짧으면 가간섭 잡음(coherent noise)이 적어 측정에 유리하자만, 이상광과 상광의 광경로차가 광원의 가간섭 길이보다 짧도록 하기 위해서 복굴절 프리즘을 얇게 만들어야 한다. 두께가 얇아지면 가공 정밀도가 떨어져 측정에 불리하다. 본 발명에서는 쐐기형 복굴절 프리즘에 광축이 직교한 복굴절 판을 덧붙여 두꺼워도 중심부에서는 이상광과 상광의 광경로차가 생기지 않도록 하였다. 덧대는 복굴절 판의 두께를 쐐기형 복굴절 프리즘의 중심부의 두께와 같게 만들고 광축이 서로 직교하게 결합하여 붙이면 된다.In the present invention, the linear light source should be used as a light source because one-dimensional measurement should be performed. Usually, a backlight made by combining several LEDs is used. LEDs have a shorter interference length than lasers. The shorter coherence length is advantageous for measurement due to less coherent noise, but the birefringence prism should be thinned so that the optical path difference between the abnormal light and the normal light is shorter than the coherence length of the light source. If the thickness is thin, the machining accuracy is poor, which is disadvantageous for the measurement. In the present invention, even if the birefringent plate having an orthogonal optical axis is added to the wedge birefringent prism, the optical path difference between the abnormal light and the normal light is not generated at the center. The thickness of the padded birefringent plate is equal to the thickness of the central portion of the wedge-shaped birefringent prism, and the optical axes are combined orthogonally to each other.
광원의 가간섭 거리, 장치 정렬 오차와 유한한 크기의 검출기 화소에 의한 평균 등으로 측정한 간섭무늬의 끝이 무뎌져 명암대비(contrast)가 떨어진다. 그 결과 실제 측정한 간섭무늬는 아래와 같은 꼴을 한다. The contrast of the interference pattern measured by the interference distance of the light source, the misalignment of the light source, and the average by the finite size of the detector pixel is blunted, resulting in a low contrast. As a result, the actual measured interference fringes look like this:
여기에서 γ는 가시도(visibility)이다. 이상적인 경우 1이나 보통은 1보다 작다. nx와 ny는 각각 x, y방향의 화소색인이다. 보정과정을 통해 γ, κ와 φ0을 알아야 주축과 방위각을 구할 수 있다. 장치 보정는 위상차가 없고 얇으면서 대면적이 가능한 편광판을 써서 했다. 편광판을 시료의 위치에 두고 투과축을 45°에 방향에 맞추어 측정한 간섭무늬는 아래와 같다.Where γ is visibility. 1 is ideal, but usually less than 1. n x and n y are the pixel colors in the x and y directions, respectively. The calibration process requires knowing γ, κ, and φ 0 to find the principal axis and azimuth. Device calibration was performed using a polarizer with no phase difference and having a thin and large area. The interference fringes measured by adjusting the transmission axis at 45 ° with the polarizing plate at the sample position are as follows.
검광판의 투과축 A는 0°와 90° 사이에 두는 것으로 가정하였다. 측정한 간섭무늬에서 아래 과정에 따라 참조 복소함수 Eref을 구하면 보정과정이 끝난다.The transmission axis A of the analyzer was assumed to be between 0 ° and 90 °. After the reference complex function E ref is obtained from the measured interference fringes, the correction process is completed.
1. I(n)을 푸리에 변환하여 F{I(n)}을 구한다.1. F (I (n)} is obtained by Fourier transforming I (n).
2. F{I(n)}의 DC 성분을 데이터의 개수로 나눠 I0'을 구한다.2. Divide the DC component of F {I (n)} by the number of data to get I 0 '.
3. F{I(n)}을 앞 과정에서 구한 I0'로 나누고 F{I(n)}의 DC 성분을 0으로 치환한다.3. Divide F {I (n)} by I 0 'obtained in the previous step and replace the DC component of F {I (n)} with 0.
4. 과정 3의 결과를 푸리에 역변환하여 를 구한다.4. Inversely transform the result of step 3 .
5. 를 힐버트(Hillbert) 변환하여 를 구한다.5. To Hilbert transform .
6. 복소함수 를 구한다.6. Complex function .
참조 복소함수 를 구했으면 보정 과정이 마무리되었다. 측정은 수학식 14를 써서 앞의 과정에 따라 측정 복소함수 를 구하면 된다. Reference complex function After the calibration has been completed, the calibration process is complete. For the measurement,
수학식 16: Equation 16:
이제 측정 복소함수 E를 참조 복소함수 으로 나누고 sin(2A)으로 나눠 규격화된 복소함수 는 아래와 같다:Now refer to the measurement complex function E Normalized complex function divided by and divided by sin (2A) Is as follows:
수학식 17: Equation 17:
수학식 6의 와,은 각각 수학식 17의 실수부와 허수부이다. 이후 수학식 10, 11과 13에 따라 시료의 주축과 위상차를 구한다.Of equation (6) Wow, Are the real part and the imaginary part of
도 2는 본 발명의 작동 원리를 구체적으로 보여주는 장치도이다. 광원에서 나온 빛을 원통렌즈 등을 써서 시료의 1차원 영역에 조사하고, 시준렌즈는 시료를 지나온 빛을 나란하게 한다. 이후 쐐기형 복굴절 프리즘을 지나면서 이상광과 상광으로 나뉘고, 검광판과 원통렌즈에 의해 2차원 검출기에서 시료의 이동방향으로는 간섭무늬를 만들고(정면도), 이동방향의 수직방향으로는 결상(측면도)하게 된다. 측정한 간섭무늬는 데이터 처리과정을 거쳐 주축과 위상차를 구하게 된다. 장치의 해능은 쓰이는 광학계와 검출기의 화소크기에 의해 결정되는데 시료의 이동 방향 쪽 분해능은 시료에서의 빛살의 크기에 의해 결정된다. 높은 공간 분해능이 필요한 경우 개구수가 큰 광학계를 써야 하는데 보통 개구수가 큰 광학계는 초점거리가 짧아 장치 구성이 어렵다.Figure 2 is a device diagram specifically showing the operating principle of the present invention. The light from the light source is irradiated to the one-dimensional area of the sample using a cylindrical lens or the like, and the collimating lens paralleles the light passing through the sample. After that, it passes through the wedge-shaped birefringence prism and is divided into abnormal light and image light.The two-dimensional detector makes an interference pattern in the moving direction of the specimen by the analyzer plate and the cylindrical lens (front view), and forms an image in the vertical direction of the moving direction. Side view). The measured interference fringe is obtained through data processing to find the principal axis and phase difference. The resolution of the device is determined by the optics used and the pixel size of the detector. The resolution in the direction of movement of the sample is determined by the size of the light beam in the sample. If a high spatial resolution is required, an optical system with a large numerical aperture should be used. An optical system with a large numerical aperture is usually difficult to configure a device due to a short focal length.
도 3은 이런 점을 개선한 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 3의 3차원 필름의 시료(20)의 상부에 표기된 화살표는 샘플(20)의 이동방향을 나타낸다.3 shows another embodiment of the present invention which improves on this point. An arrow marked on the upper part of the
도 3의 측정장치는 슬릿의 개구부에서 나온 빛을 측정하도록 구성하였고, 시료의 상을 슬릿에 만들도록 했다. 대역 투과 필터(12)를 둬서 가간섭 길이를 조절할 수 있도록 했다. 시료 이동방향의 공간 분해능은 슬릿(13) 앞의 광학계의 배율과 슬릿 폭으로 조절하여 맞춘다. 슬릿은 주변 광이 검출기 쪽으로 들어가는 것을 줄이는 구실도 한다.The measuring device of FIG. 3 was configured to measure light from the opening of the slit and to make the image of the sample into the slit. A
도 5는 도 3의 실시 예에 따라 구성한 장치에서 3차원 필름을 잰 간섭무늬이다. 광축의 방향(또는 위상차)에 따라 간섭무늬의 위치가 바뀌어 나타나는 것을 알 수 있다. 도 6은 데이터 처리과정을 거쳐 주축과 위상차를 구한 결과이다. 위상차가 90도이고 주축이 서로 직교하는 패턴이 번갈아 나타나는 것을 확인할 수 있다.FIG. 5 is an interference fringed with a three-dimensional film in the device constructed according to the embodiment of FIG. 3. It can be seen that the position of the interference fringe is changed depending on the direction (or phase difference) of the optical axis. 6 shows a result of obtaining a phase axis and a phase difference through data processing. It can be seen that the phase difference is 90 degrees and the patterns in which the main axes are orthogonal to each other alternately appear.
본 발명의 주 목적은 3차원 필름의 주축과 위상차를 재는 것이나 측정 대상이 3차원 필름에 국한되지 아니하고 일반적인 위상판의 주축과 위상차를 재는 경우도 포함한다The main object of the present invention is to measure the retardation with the main axis of the three-dimensional film, but also includes the case where the measurement object is not limited to the three-dimensional film, but also the retardation with the main axis of the general phase plate.
10 : 선광원 11 : 편광판
12 : 대역투과필터 13 : 슬릿
14 : 시준 광학계 15 : 쐐기형 복굴절 프리즘
16 : 검광판 17 : 원통렌즈
20 : 3차원 필름의 시료 30 : 2차원 검출기10: line light source 11: polarizing plate
12 band pass filter 13 slit
14 collimating
16: detection plate 17: cylindrical lens
20: Sample of three-dimensional film 30: Two-dimensional detector
Claims (7)
선광원(10), 편광판(11), 쐐기형 복굴절 프리즘(15), 검광판(16)을 차례로 배치하는 단계;
상기 편광판과 쐐기형 복굴절 프리즘 사이에 3차원 필름을 수직방향으로 이동시키면서 선광원에서 나와 편광판에 의해 편광된 빛이 3차원 필름을 통과하도록 하는 단계;
상기 3차원 필름을 통과한 빛이 상기 쐐기형 복굴절 프리즘과 검광판을 차례로 통과하여 간섭무늬를 형성시키는 단계; 및
상기 간섭무늬로부터 상기 3차원 필름의 주축(Θ)과 위상차(Φ)를 계산하여 구하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 필름의 주축과 위상차의 측정방법.
In the measuring method for measuring the principal axis and the phase difference of the three-dimensional film,
Arranging a linear light source 10, a polarizing plate 11, a wedge-shaped birefringent prism 15, and an analyzer 16;
Allowing the light polarized by the polarizing plate to pass through the three-dimensional film while moving the three-dimensional film vertically between the polarizing plate and the wedge-shaped birefringent prism;
Light passing through the three-dimensional film passes through the wedge-shaped birefringent prism and the spectrometer in order to form an interference fringe; And
Calculating and obtaining a principal axis (Θ) and a phase difference (Φ) of the three-dimensional film from the interference fringe;
Method for measuring the principal axis and the phase difference of the three-dimensional film comprising a.
The method of claim 1, further comprising correcting the principal axis and the phase difference of the three-dimensional film by using the reference principal axis and the phase difference obtained from the interference fringe measured by placing the polarizing plate at the position of the three-dimensional film. Method for measuring the retardation and the principal axis of the film.
상기 3차원 필름에 빛을 비추는 선광원(10)과;
상기 선광원과 3차원 필름 사이의 빛의 경로에 위치하는 편광판(11)과;
상기 3차원 필름을 통과한 빛을 나란하게 하는 시준 광학계(14)와;
상기 시준 광학계를 통과한 빛의 두 직교 전기장 성분의 위상차를 위치에 따라 연속적으로 바꾸는 쐐기형 복굴절 프리즘(15)과;
상기 쐐기형 복굴절 프리즘에 생긴 전기장의 두 직교성분을 결합하여 서로 중첩하여 간섭하게 하는 검광판(16)과;
상기 검광판을 통과한 빛을 결상하여 2차원 신호를 만드는 원통렌즈(17)와;
상기 원통렌즈를 통과한 빛에 의해 생긴 간섭무늬를 재는 2차원 검출기(30)와;
상기 간섭무늬를 분석하여 3차원 필름의 주축과 위상차를 구하는 데이터 분석장치;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 필름의 주축과 위상차의 측정장치.
In the measuring device for measuring the principal axis and the phase difference of the three-dimensional film,
A line light source (10) for shining light on the three-dimensional film;
A polarizing plate 11 positioned in a path of light between the linear light source and the 3D film;
A collimation optical system 14 for paralleling light passing through the 3D film;
A wedge-shaped birefringent prism (15) which continuously changes the phase difference between two orthogonal electric field components of the light passing through the collimating optical system according to the position;
An inspection plate (16) for combining two orthogonal components of the electric field generated in the wedge-shaped birefringent prism so as to overlap and interfere with each other;
A cylindrical lens 17 for forming a two-dimensional signal by forming light passing through the detector plate;
A two-dimensional detector 30 measuring an interference pattern caused by light passing through the cylindrical lens;
A data analyzing apparatus for analyzing the interference fringes to obtain a phase difference between the principal axis of the 3D film;
Apparatus for measuring the main axis and the phase difference of the three-dimensional film comprising a.
5. The three-dimensional film of claim 4, wherein the wedge-shaped birefringent prism has a birefringent plate having a thickness equal to the center of the wedge-shaped birefringent prism and having an optical axis that is orthogonal, and thus the net retardation of the center is zero. Apparatus for measuring the phase difference between the main axis.
According to claim 4, Between the collimating optical system and the three-dimensional film is provided with an imaging optical system and a slit, the imaging optical system to make an image of the three-dimensional film in the slit and the collimating optical system to pass the light passing through the opening of the slit Apparatus for measuring the main axis and the phase difference of the three-dimensional film, characterized in that for making.
The apparatus of any one of claims 4 to 6, further comprising a bandpass filter for adjusting the coherence length of the light emitted from the line light source.
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