RZECZPOSPOLITAPOLSKA(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13)B1 PL B1. Fig.1. (51) Int.Cl.6: G01N 21/23 G01J 4/04

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITAPOLSKA(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) PO LSK A (13)B1 U rząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl.6: G01N 21/23 G01J 4/04 (54)Sposób i układ do wyznaczania parametrów optycznych płaskorównoległej płytki opóźniającej (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 03/96 (73) Uprawniony z patentu: Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, Warszawa, PL (72) Twórca wynalazku: Andrzej Bajor, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 08/98 (74) Pełnomocnik: Kehl Barbara, Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych PL B1 (57) 2. Układ do wyznaczania parametrów optycznych płaskorównoległej płytki opóźniającej, składający się z usytuowanych kolejno, źródła promieniowania elektromagnetycznego, układu optycznego kształtującego równoległą wiązkę promieniowania elektromagnetycznego, polaryzatora liniowego w roli polaryzatora, uchwytu badanej płytki, polaryzatora liniowego w roli analizatora oraz układu optycznego rzutującego obraz całej powierzchni płytki na element światłoczuły, umieszczonego na nim detektora promieniowania elektromagnetycznego, przy czym polaryzator i analizator umieszczone są nieruchomo z możliwością ustawienia ich osi przepuszczania pod wybranym dowolnym kątem w stosunku do poziomu i względem siebie, znamienny tym, że badana płytka (4) i detektor promieniowania elektromagnetycznego (8), korzystnie sprzężone ze sobą mechanicznie, umieszczone są ruchomo w płaszczyznach prostopadłych do osi optycznej układu. Fig.1

2 Sposób i układ do wyznaczania parametrów optycznych płaskorównoległej płytki opóźniającej Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wyznaczania parametrów optycznych płaskorównoległej płytki opóźniającej, polegający na przepuszczaniu liniowo spolaryzowanej wiązki promieniowania elektromagnetycznego przez płytkę badanego materiału, posiadającą dwie płaszczyzny płaskorównoległe, umieszczoną prostopadle do kierunku wiązki promieniowania elektromagnetycznego w układzie polarymetru pomiędzy nieruchomymi polaryzatorem liniowym i analizatorem liniowym, których osie przepuszczania ustawione są względem siebie pod kątem różnym od 90, prostopadle do tych płaszczyzn, i dokonaniu rejestracji pierwszego obrazu płytki poprzez pomiar wielkości natężeń promieniowania w każdym elemencie matrycy światłoczułej detektora promieniowania elektromagnetycznego, znamienny tym, że obraca się jednocześnie badaną płytkę i detektor promieniowania elektromagnetycznego w płaszczyznach prostopadłych do wiązki promieniowania i dokonuje się rejestracji co najmniej dwóch kolejnych obrazów płytki dla kątów obrotu, zmienianych sekwencyjnie o stałą wartość, po czym na podstawie wyznaczonych wielkości natężeń promieniowania w każdym badanym punkcie płytki wylicza się żądane parametry optyczne badanej płytki w znany sposób. 2. Układ do wyznaczania parametrów optycznych płaskorównoległej płytki opóźniającej, składający się z usytuowanych kolejno, źródła promieniowania elektromagnetycznego, układu optycznego kształtującego równoległą wiązkę promieniowania elektromagnetycznego, polaryzatora liniowego w roli polaryzatora, uchwytu badanej płytki, polaryzatora liniowego w roli analizatora oraz układu optycznego rzutującego obraz całej powierzchni płytki na element światłoczuły, umieszczonego na nim detektora promieniowania elektromagnetycznego, przy czym polaryzator i analizator umieszczone sąnieruchomo z możliwością ustawienia ich osi przepuszczania pod wybranym dowolnym kątem w stosunku do poziomu i względem siebie, znamienny tym, że badana płytka (4) i detektor promieniowania elektromagnetycznego (8), korzystnie sprzężone ze sobą mechanicznie, umieszczone są ruchomo w płaszczyznach prostopadłych do osi optycznej układu. 3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że jako detektor promieniowania elektromagnetycznego (8) ma kamerę telewizyjną z matrycą elementów światłoczułych oraz wyprowadzeniem sygnału video do karty analizy obrazu telewizyjnego, korzystnie bezprzewodowo. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do wyznaczania parametrów optycznych płaskorównoległej płytki opóźniającej. Wynalazek ma zastosowanie do pomiaru różnych wielkości optycznych próbek materiałów, wykazujących dwójłomność naturalną lub wymuszoną. Mierzonymi wielkościami są zwłaszcza różnica dróg optycznych promieni zwyczajnego i nadzwyczajnego, azymuty płytki opóźniającej, dichronizm, transmisja albo przepuszczalność wynikowa płytki. W wielu przypadkach istotna jest znajomość rozkładu danej wielkości optycznej w płaszczyźnie próbki, czyli tak zwana mapa rozkładu, która przede wszystkim informuje o jednorodności optycznej badanego materiału. Znane są dwa sposoby uzyskiwania takich rozkładów, czyli mapowania wielkości optycznych. Pierwszy, polegający na skanowaniu powierzchni próbki przy pomocy detektora promieniowania elektromagnetycznego z powierzchnią światłoczułą o niewielkich wymiarach i drugi bardziej efektywny sposób z zastosowaniem kamery telewizyjnej, wykorzystującej element światłoczuły na przykład w postaci matrycy punktów światłoczułych CCD. W znanych z opisu patentowego USA nr rozwiązaniu obraz prób-

3 ki jest rzutowany w całości na matrycę światłoczułą i niemal jednocześnie analizowany w każdym punkcie matrycy przy pomocy odpowiednich technik komputerowych. Znany jest układ polarymetru z wirującym polaryzatorem, w którym nieruchoma próbka umieszczona jest pomiędzy parą polaryzatorów liniowych, z których pierwszy, umieszczony za źródłem promieniowania elektromagnetycznego, pełniący rolę polaryzatora, obraca się wokół osi optycznej układu, a drugi, pełniący rolę analizatora, pozostaje nieruchomy. Znany jest również układ polarymetru z wirującym analizatorem, w którym polaryzator pozostaje nieruchomy, zaś obraca się analizator. Obydwa te układy nie są układami uniwersalnymi, gdyż nie nadają się do mapowania próbek, których azymuty tworzą w różnych punktach próbki różne kąty z kierunkiem poziomu. W obu tych układach w pewnej chwili osie przepuszczania polaryzatora i analizatora tworzą kąt 90. W takim przypadku bez dodatkowych działań technicznych, takich jak na przykład obrót próbki, nie można ustalić, czy minimalna wielkość sygnału detektora promieniowania elektromagnetycznego umieszczonego za analizatorem, jest związana z incydentalnym pokryciem się azymutów w danym punkcie próbki z kierunkami osi przepuszczania polaryzatora i analizatora, czy też z zerową różnicą dróg optycznych promieni zwyczajnego i nadzwyczajnego w tym punkcie. Wadę tę eliminuje znany z polskiego opisu patentowego nr sposób pomiaru różnicy dróg optycznych promieni nadzwyczajnego i zwyczajnego oraz azymutów płytki opóźniającej w układzie polarymetru z dwoma polaryzatorami liniowymi, z których jeden jest nieruchomy, a oś przepuszczania drugiego polaryzatora jest ustawiona względem osi przepuszczania pierwszego polaryzatora kolejno pod trzema różnymi kątami. Wadę tę eliminuje znany z polskiego opisu patentowego nr sposób pomiaru różnicy dróg optycznych promieni zwyczajnego i nadzwyczajnego oraz azymutów płytki opóźniającej o dowolnym rozkładzie tych azymutów w układzie polarymetru z dwoma obracającymi się jednocześnie polaryzatorami liniowymi - polaryzatorem i analizatorem, których osie przepuszczania tworzą kąt różny od 90. Układ taki umożliwia dokonanie pomiaru w przypadku płytek opóźniających z przypadkowym, izotropowym rozkładem azymutów w ich płaszczyznach. W układzie tym bowiem nie istnieje konieczność określenia azymutów płytki opóźniającej przed przystąpieniem do pomiaru różnicy dróg optycznych, ani też obracania płytką podczas pomiaru w celu odpowiedniego ustawienia jej azymutów względem bazy przyrządu. W układzie tym w jednej operacji pomiaru wyznaczane są dwie wielkości optyczne - różnica dróg optycznych promieni zwyczajnego i nadzwyczajnego oraz azymuty płytki opóźniającej. Wadą tego układu jest jego uwrażliwienie na liniową polaryzację, nawet częściową, źródła promieniowania elektromagnetycznego. Stwarza to konieczność umieszczenia pomiędzy źródłem promieniowania i polaryzatorem depolaryzatora, skutecznie eliminującego liniowo spolaryzowany składnik wiązki promieniowania padającej na polaryzator. Znany z publikacji D.B. Chenault i R.A. Chipman, Proc. SPIE, 1317, 263 (1990) układ z obracającą się próbką przy nieruchomych polaryzatorach posiada istotną wadę w przypadku, gdy w płaszczyźnie próbki występuje zauważalna anizotropia mierzonej wielkości i/lub gdy zamiast pomiaru w jednym punkcie próbki, co zwykle stanowi pomiar uśredniający daną wielkość w polu widzenia detektora promieniowania, należy uzyskać mapę rozkładu tej wielkości w całej płaszczyźnie próbki. W układzie tym bowiem środek geometryczny próbki może nie pokrywać się dokładnie z osią optyczną układu polarymetru i z osią układu optycznego detektora promieniowania, przez co nawet środek geometryczny może zataczać okrąg na powierzchni światłoczułej detektora w czasie obrotu próbki. Ponadto przy dowolnym, często nieregularnym kształcie próbki ustalenie położenia danego punktu próbki na powierzchni światłoczułej nieruchomego detektora promieniowania w danej chwili, a tym samym uzyskanie mapy rozkładu danej wielkości w płaszczyźnie próbki może być bardzo trudne, bądź wręcz niemożliwe. Sposób według wynalazku polegający na tym, że przez płytkę badanego materiału, posiadającą dwie płaszczyzny płaskorównoległe, umieszczoną prostopadle do kierunku wiązki promieniowania elektromagnetycznego w układzie polarymetru pomiędzy nieruchomymi polaryzatorem liniowym i analizatorem liniowym, których osie przepuszczania ustawione są

4 względem siebie pod kątem różnym od 90, przepuszcza się prostopadle do jej płaszczyzn liniowo spolaryzowaną wiązkę promieniowania elektromagnetycznego i rzutuje ją na matrycę światłoczułą detektora promieniowania, dokonując rejestracji pierwszego obrazu płytki poprzez pomiar wielkości natężeń wiązki promieniowania w każdym elemencie światłoczułym matrycy, charakteryzuje się tym, że następnie badaną płytkę obraca się jednocześnie z detektorem promieniowania, w płaszczyznach prostopadłych do wiązki promieniowania, dokonując rejestracji co najmniej dwóch kolejnych obrazów płytki do kątów obrotu, zmienianych sekwencyjnie o stałą wartość, po czym na podstawie wyznaczonych wielkości natężeń promieniowania w każdym badanym punkcie płytki wylicza się żądane parametry optyczne badanej płytki w znany sposób. Korzystnie polaryzator liniowy i analizator liniowy ustawia się tak, aby ich osie przepuszczania tworzyły kąt 45. Korzystnie dokonuje się rejestracji czterech kolejnych obrazów płytki dla kolejno zwiększanych kątów o wartość Układ według wynalazku, składający się z usytuowanych kolejno, źródła promieniowania elektromagnetycznego, układu optycznego kształtującego równoległą wiązkę promieniowania elektromagnetycznego, polaryzatora liniowego w roli polaryzatora, uchwytu badanej próbki, polaryzatora liniowego w roli analizatora oraz układu optycznego rzutującego obraz całej powierzchni próbki na element światłoczuły umieszczonego za nim detektora promieniowania elektromagnetycznego, przy czym polaryzator i analizator umieszczone są nieruchomo z możliwością ustawienia ich osi przepuszczania pod wybranym dowolnym kątem do poziomu i względem siebie, charakteryzuje się tym, że badana płytka i detektor promieniowania elektromagnetycznego, korzystnie sprzężone ze sobą mechanicznie, umieszczone są ruchomo w płaszczyźnie prostopadłej do osi optycznej układu. Korzystnie jako detektor promieniowania, układ według wynalazku ma kamerę telewizyjnąz matrycąpunktów światłoczułych oraz z wyprowadzeniem sygnału video do karty analizy obrazu telewizyjnego, najkorzystniej bezprzewodowo. Układ według wynalazku umożliwia wzrost czułości pomiaru poprzez eliminację wpływu spolaryzowanego składnika źródła promieniowania na natężenie wiązki promieniowania padającej na płytkę, a ponadto ułatwia pozyskanie wyników dla całej powierzchni płytki, to jest wyznaczanie map rozkładu powierzchniowego mierzonej wielkości optycznej. Układ według wynalazku jest bliżej objaśniony w oparciu o przykład wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy układu, fig. 2 - rozkład dwójłomności wymuszonej naprężeniami resztkowymi, a fig. 3 - rozkład głównego azymutu na powierzchni płytki. Układ, przedstawiony na rysunku, składa się z oświetlacza halogenowego 1 z lampą halogenową, usytuowanej za nim dodatkowej soczewki kondensorowej 2, kształtującej równoległą wiązkę promieniowania elektromagnetycznego i dalej umieszczonych nieruchomo dwóch polaryzatorów liniowych - polaryzatora 3 i analizatora 5 - każdy w obudowie z podziałką kątową, umożliwiającą ustawienie ich osi przepuszczania pod wybranym dowolnym kątem do poziomu i wybranym kątem względem siebie. Pomiędzy polaryzatorem 3 i analizatorem 5 usytuowana jest badana płytka 4 w uchwycie z podziałką kątową, sprzężonym mechanicznie z uchwytem z podziałką kątową kamery telewizyjnej 8, umieszczonych ruchomo w płaszczyznach prostopadłych do osi optycznej układu. Pomiędzy analizatorem 5 a kamerą telewizyjną 8 umieszczony jest wąskopasmowy filtr optyczny 6, a następnie układ optyczny 7, rzutujący obraz całej powierzchni płytki 4 na matrycę CCD kamery telewizyjnej 8. Sygnał video z kamery telewizyjnej 8 jest przekazywany do karty analizy obrazu telewizyjnego, a z niej do jednostki centralnej komputera i monitora telewizyjnego, nie umieszczonych na rysunku. Karta analizy obrazu telewizyjnego umożliwia dokonanie pomiaru natężenia promieniowania elektromagnetycznego za analizatorem 5 w każdym analizowanym punkcie płytki 4 w jednostkach odcieni szarości Niżej podany przykład ilustruje sposób według wynalazku w konkretnym przypadku jego wykonania, nie ograniczając zakresu jego stosowania.

5 Przykład. Po ustawieniu osi przepuszczania polaryzatora 3 i analizatora 5 pod kątem 45 względem siebie, polaryzator 3 i analizator 5 unieruchomino w takiej pozycji. Pomiędzy nimi umieszczono płytkę LiNbO3 4 o orientacji Z, grubości 0,5 mm i średnicy 100 mm. Linię ścięcia bazowego płytki 4, równoległą do kierunku X, prostopadłego do osi optycznej Z i jednocześnie równoległego do jednego z głównych azymutów płytki 4, zwaną ścięciem bazowym płytki 4, ustawiono równolegle do poziomu. Następnie zarejestrowano pierwszy obraz płytki 4, zachowując w pamięci karty analizy obrazu telewizyjnego wielkości natężeń wiązki promieniowania w każdym elemencie kwadratowej matrycy 256x256 punktów płytki. Obracając następnie jednocześnie płytkę 4 i kamerę telewizyjną 8 o kąt 22.5 zarejestrowano drugi obraz płytki. Trzeci i czwarty obraz płytki zarejestrowano dokonując dalszego jednoczesnego obrotu płytki 4 i kamery telewizyjnej 8 kolejno o kąt Korzystając z czterech zapamiętanych obrazów płytki, to jest z czterech wyznaczonych wielkości natężeń promieniowania w każdym badanym punkcie płytki, z niżej podanych zależności I il = ki oitri [1-1/2 ( 1- cos δ i) sin 4 θi] (l) I i2 = ki oi Tri [ 1+ 1/2 (1-cos δ i) sin4 (ɸ -θ i)] (2 ) I i3= ki oi T ri[ 1+ 1/2 ( 1-cos δ i) sin4 (2ɸ- θ i)] (3) I i4= ki oi T ri [1+ 1/2 ( 1-cos δ i) sin4 (3ɸ-θ i)] (4) gdzie I il jest j-tym, kolejnym natężeniem promieniowania elektromagnetycznego w i-tym punkcie płytki, k jest współczynnikiem proporcjonalności, związanym w czułością detektora promieniowania elektromagnetycznego, I oi jest natężeniem wiązki promieniowania elektromagnetycznego, padającej na i-ty punkt płytki, T ri jest transmisją płytki w i-tym jej punkcie, δi jest dwójłomnością, ɸ jest kątem równym 22.5, o jaki obraca się płytkę i detektor, a θi jest głównym azymutem w i-tym punkcie płytki, kioitri=(ii1ii3-ii2ii4)sin8ɸ+(ii3ii4-ii1ii2) sin4ɸ / (Ii2-Ii3) (sin12ɸ- sin8ɸ- sin4ɸ) Ɣi=(1- I i1/kioi Tri) 1+(M/L)2 gdzie M= Ii4-Ioi-(IilIoi)cos12 ɸ, L=(Ioi-Iil)sin12ɸ, δi=arccos (1-2Ɣi) (7) θ i=ɸ - 1/4 yi - 3/8 π+ mπ/2 (8 )

6 gdzie y1=arccos[(1-ii2/kioito1)/ɣi], a liczba całkowita m jest tak dobierana, aby główny azymut θi, mieścił się w przedziale kątów od 0 do π/2, wyliczono wielkość dwójłomności wymuszonej naprężeniami resztkowymi w każdym badanym punkcie płytki, którą w postaci odpowiedniej mapy rozkładu pokazano na rysunku - fig. 2. Maksymalna wielkość dwójłomności odnotowana w tej płytce, wynosiła 87x10-7. Pomiarów tych dokonano dla długości fali promieniowania elektromagnetycznego 875 nm, stosując odpowiedni wąskopasmowy filtr interferencyjny 6. Po wyliczeniu dwójłomności, korzystając z zależności (8), wyliczono główny azymut θ, w każdym badanym punkcie płytki, który w postaci odpowiedniej mapy rozkładu pokazano na rysunku - fig. 3. Korzystając z zależności (5), po uprzednim dokonaniu pomiaru transmisji układu optycznego polarymetru bez badanej próbki, to jest po dokonaniu rejestracji czterech obrazów jak wyżej, ale bez płytki umieszczonej w uchwycie, z poniższej zależności Tri =kioi Tri / kioi (9) można wyznaczyć transmisję (przepuszczalność wynikową) płytki w każdym badanym jej punkcie, a ponadto korzystając z wyliczonych wartości dwójłomności z zależności R i = δi d (10) gdzie d jest grubością płytki, można w każdym punkcie płytki wyznaczyć różnicę dróg optycznych Ri promieni nadzwyczajnego i zwyczajnego.

7

8 Fig.2

9 Fig.3

10 Fig.1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł