RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 211200 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 380223 (22) Data zgłoszenia: 17.07.2006 (51) Int.Cl. G01N 21/23 (2006.01) G01B 9/02 (2006.01) G01J 9/02 (2006.01) (54) Sposób pomiaru dwójłomności materiału i układ do pomiaru dwójłomności materiału (43) Zgłoszenie ogłoszono: 21.01.2008 BUP 02/08 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.2012 WUP 04/12 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL (72) Twórca(y) wynalazku: PIOTR KURZYNOWSKI, Wrocław, PL JAN MASAJADA, Nadolice Wielkie, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Regina Kozłowska PL 211200 B1
2 PL 211 200 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru dwójłomności materiału i układ do pomiaru dwójłomności materiału, w szczególności anizotropowego ośrodka liniowo dwójłomnego, stosowane do badania dwójłomności kryształów, polimerów, ciekłych kryształów. Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 182663 sposób pomiaru dwójłomności materiału optycznie jednoosiowego w układzie optycznym z liniowo spolaryzowaną zbieżną wiązką promieniowania elektromagnetycznego. Sposób polega na tym, że z badanego materiału optycznie jednoosiowego wycina się płaskorównoległą próbkę tak, aby oś optyczna była prostopadła do jej powierzchni czołowych, następnie w układzie pomiarowym konoskopu umieszcza się ją bezpośrednio przed liniowym analizatorem, którego oś przepuszczania jest równoległa lub prostopadła do płaszczyzny polaryzacji wiązki promieniowania, powierzchniami czołowymi prostopadle do osi symetrii wiązki promieniowania i przepuszcza przez nią liniowo spolaryzowaną zbieżną wiązkę promieniowania elektromagnetycznego, po czym w obrazie konoskopowym próbki mierzy się średnice dwóch izochromat, a następnie dwójłomność materiału próbki wyznacza się z odpowiedniej zależności. Sposób polega również na tym, że z badanego materiału optycznie jednoosiowego wycina się płaskorównoległą próbkę tak, aby oś optyczna była równoległa do jej powierzchni czołowych, następnie w układzie pomiarowym konoskopu umieszcza się ją bezpośrednio przed liniowym analizatorem, którego oś przepuszczania jest równoległa lub prostopadła do płaszczyzny polaryzacji wiązki promieniowania, powierzchniami czołowymi prostopadle do osi symetrii wiązki promieniowania i przepuszcza się przez nią liniowo spolaryzowaną wiązkę promieniowania elektromagnetycznego, po czym w obrazie konoskopowym próbki mierzy się odległości pomiędzy dwoma izochromatami w kierunku równoległym do osi optycznej oraz odpowiednio w kierunku prostopadłym do tej osi, a następnie dwójłomność materiału próbki wyznacza się również z odpowiedniej zależności. Z polskiego opisu zgłoszenia patentowego nr 323398 znany jest sposób badania struktury wewnętrznej dwójłomnej warstwy przezroczystej, stosowany do badania dwójłomności kryształów, polimerów, ciekłych kryształów, jak również struktury wewnętrznej rogówki oka. Sposób polega na tym, że wiązkę światła laserowego polaryzuje się, generuje różne stany polaryzacji, rozszerza i kieruje na badaną warstwę. Po przejściu przez warstwę wiązkę światła laserowego analizuje się przy różnych kątach azymutu, rejestruje natężenie światła, następnie wiązkę światła przekształca na sygnał elektryczny, zamienia na sygnał cyfrowy, zapamiętuje, poddaje obróbce cyfrowej oraz wyznacza rozkłady kąta azymutu i opóźnienia fazowego badanej warstwy. Z polskiego opisu zgłoszenia patentowego nr 323400 znane jest urządzenie do badania struktury wewnętrznej dwójłomnej warstwy przezroczystej. Urządzenie charakteryzuje się tym, że wiązka światła z lasera poprzez polaryzator, płytkę ćwierćfalową i kolimator pada na badaną warstwę, przez którą przechodzi i rozprasza się na matówce. Następnie ponownie przechodzi przez badaną warstwę, analizator i jest kierowana do kamery, z której sygnał elektryczny przez kartę obrazową jest przesyłany do komputera. Znane jest też z polskiego opisu zgłoszenia patentowego nr 323401 urządzenie do badania struktury wewnętrznej dwójłomnej warstwy przezroczystej, w którym wiązka światła z lasera poprzez polaryzator, płytkę ćwierćfalową i kolimator, badaną warstwę i analizator jest kierowana do kamery, z której sygnał elektryczny przez kartę obrazową jest przesyłany do komputera. Układy pomiarowe dwójłomności materiału znane są z opisów patentowych USA nr US5604591, brytyjskiego nr GB732004 i japońskiego nr JP2102404. Układy te składają się z polaryzatora i analizatora, których kierunki przepuszczania światła, czyli kąty azymutu są ortogonalne. Między polaryzator i analizator wstawione są zarówno elementy kompensacyjne, takie jak pryzmat Wollastona, jak i badany obiekt dwójłomny pod kątami azymutu ±45. Wskutek tego rejestrowany rozkład natężenia światła na wyjściu układu ma charakter prążków interferencyjnych. W szczególności, środki czarnych prążków tworzą układ równoległych lub prawie równoległych linii. Metody analizy bazują na badaniu odstępstw od wyjściowej prostoliniowej struktury prążkowej obrazu. Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że tworzy się monochromatyczną płaską falę świetlną z użyciem źródła światła wraz z kolimatorem, biegnącą wzdłuż osi optycznej układu, którą polaryzuje się liniowo w polaryzatorze. Po czym falę świetlną moduluje się zmienną różnicą faz wnoszoną przez pierwszy pryzmat Wollastona, a jako różnicę faz w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali proporcjonalną do zmiennej różnicy faz wnoszonej przez pierwszy pryzmat Wollastona przyjmuje się różnicę faz między jej składowymi x i y w tej płaszczyźnie. Tak zmodulowaną falę kieruje
PL 211 200 B1 3 się na płytkę płaskorównoległą wykonaną z badanego materiału dwójłomnego. Po czym falę świetlną moduluje się ponownie zmienną różnicą faz wnoszoną przez drugi pryzmat Wollastona, przy czym kierunki obu modulacji fali świetlej zgodne są z kątami azymutów pryzmatów i wynoszą odpowiednio α 1 = 45 i α 2 = 0. Następnie wytwarza się pole interferencyjne w wyniku przejścia fali świetlnej przez analizator i rejestruje się kamerą siatkę w postaci wirów optycznych, stanowiących izolowane punkty o zerowej wartości natężenia światła, o nieokreślonej fazie fali świetlnej w tych punktach. Korzystnie w zmodulowanej fali świetlnej w wyniku przejścia przez płytkę płaskorównoległą wykonaną z materiału dwójłomnego następuje przesunięcie wirów optycznych spowodowane różnicą faz wnoszoną przez badany materiał dwójłomny, przy czym przesunięcie to jest proporcjonalne do różnicy faz. Korzystnym jest również to, że w zmodulowanej fali świetlnej w wyniku przejścia przez płytkę płaskorównoległą wykonaną z materiału dwójłomnego następuje obrót tych wirów optycznych, przy czym kąt obrotu jest proporcjonalny do kąta azymutu ośrodka dwójłomnego. Istota układu według wynalazku polega na tym, że wzdłuż wiązki światła ma zestawione źródło światła, kolimator, polaryzator ustawiony pod kątem azymutu α P =0, pierwszy pryzmat Wollastona ustawiony pod kątem azymutu α 1 = 45, drugi pryzmat Wollastona ustawiony pod kątem azymutu α 2 = 0, analizator ustawiony pod kątem azymutu α A = 45 oraz kamerę podłączoną do komputera, przy czym pomiędzy pierwszym pryzmatem Wollastona i drugim pryzmatem Wollastona jest umieszczona płytka płaskorównoległa wykonana z badanego materiału dwójłomnego. Zaletą nowego układu jest to, że wytwarza on wiry optyczne, zwane dalej znacznikami, które charakteryzują się większą stabilnością niż odpowiednie znaczniki generowane np. w różnego rodzaju interferometrach optycznych, ponieważ powstają one w jednej wiązce światła. Wynika to z tego, że przejście jednej fali świetlnej przez pryzmat Wollastona można traktować w efekcie jako interferencję dwóch fal własnych tego elementu, biegnących w tych samych kierunkach i różniących się azymutem, a zatem kąt między falami tworzącymi pole interferencyjne jest stały i nie podlega takim fluktuacjom jak kąt między frontami falowymi w układach czysto interferencyjnych. Deformacja czoła fali świetlnej w którymkolwiek miejscu przedstawionego układu przejawia się w zmianie położenia znaczników, prostymi metodami można zatem określić tą deformację śledząc ruch danego znacznika. Zmiany te można obserwować nie tylko gdy deformacja ma charakter globalny (dotyczy na przykład zmiany kierunku biegu wiązki świetlnej), ale i lokalny, przy czym w tym przypadku należy zadbać o to, by siatka znaczników na wyjściu układu optycznego była dostatecznie gęsta. Regulacji gęstości dokonuje się przez odpowiedni dobór kąta klina w każdym z pryzmatów Wollastona - im większy ten kąt tym gęstsza siatka znaczników. Dodatkową zaletą układu do generacji wirów optycznych jest to, że można elementy tego układu połączyć na stałe, np. poprzez sklejenie. I tak, gdy przedmiotem badań jest anizotropowy ośrodek liniowo dwójłomny, na trwale mogą być połączone następujące elementy polaryzator i pierwszy pryzmat Wollastona oraz drugi pryzmat Wollastona i analizator. Dzięki temu stabilność układu pomiarowego jeszcze bardziej wzrasta. Przedmiotem wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu do pomiaru dwójłomności materiału optycznie jednoosiowego. P r z y k ł a d 1 Sposób pomiaru dwójłomności materiału, polega na tym, że tworzy się monochromatyczną płaską falę świetlną z użyciem źródła światła Z wraz z kolimatorem K biegnącą wzdłuż osi optycznej układu, którą polaryzuje się liniowo w polaryzatorze P. Po czym falę świetlną moduluje się zmienną różnicą faz wnoszoną przez pierwszy pryzmat Wollastona W1, a jako różnicę faz w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali proporcjonalną do zmiennej różnicy faz wnoszonej przez pierwszy pryzmat Wollastona W1 przyjmuje się różnicę faz między jej składowymi x i y w tej płaszczyźnie. Tak zmodulowaną falę kieruje się na płytkę płaskorównoległą PP wykonaną z badanego materiału dwójłomnego, przy czym w zmodulowanej fali świetlnej w wyniku przejścia przez płytkę płaskorównoległą PP następuje przesunięcie wirów optycznych spowodowane różnicą faz wnoszoną przez badany materiał dwójłomny, przy czym przesunięcie to jest proporcjonalne do różnicy faz. Po czym falę świetlną moduluje się ponownie zmienną różnicą faz wnoszoną przez drugi pryzmat Wollastona W2, przy czym kierunki obu modulacji fali świetlej zgodne są z kątami azymutów pryzmatów W1, W2 i wynoszą odpowiednio α 1 = 45 i α 2 =0. Następnie wytwarza się pole interferencyjne w wyniku przejścia fali świetlnej przez analizator A, po czym rejestruje się kamerą D siatkę w postaci wirów optycznych,
4 PL 211 200 B1 stanowiących izolowane punkty o zerowej wartości natężenia światła, o nieokreślonej fazie fali świetlnej w tych punktach. P r z y k ł a d 2 Sposób pomiaru dwójłomności materiału przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że w zmodulowanej fali świetlnej w wyniku przejścia przez płytkę płaskorównoległą PP wykonaną z materiału dwójłomnego następuje obrót tych wirów optycznych, przy czym kąt obrotu jest proporcjonalny do kąta azymutu ośrodka dwójłomnego. P r z y k ł a d 3 Układ do pomiaru dwójłomności materiału ma wzdłuż wiązki światła zestawione źródło światła Z, kolimator K, polaryzator P ustawiony pod kątem azymutu α P = 0, pierwszy pryzmat Wollastona W1 ustawiony pod kątem azymutu α 1 = 45, drugi pryzmat Wollastona W2 ustawiony pod kątem azymutu α 2 = 0, analizator A ustawiony pod kątem azymutu α A =45 oraz kamerę D podłączoną do komputera C. Pomiędzy pierwszym pryzmatem Wollastona W1 i drugim pryzmatem Wollastona W2 jest umieszczona płytka płaskorównoległa PP wykonana z badanego materiału dwójłomnego. Zasada działania układu jest następująca: źródło światła Z wraz z kolimatorem K tworzy monochromatyczną płaską falę świetlną biegnącą wzdłuż osi optycznej układu i padającą na polaryzator P. Za ostatnim z wymienionych elementów fala świetlna jest liniowo spolaryzowana i po przejściu przez pryzmat Wollastona W1 jej różnica faz (rozumiana jako różnica faz między jej składowymi x i y) w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali jest proporcjonalna do zmiennej różnicy faz wnoszonej przez pryzmat W1. Po przejściu przed drugi pryzmat W2 fala modulowana jest również zmienną różnicą faz wnoszoną przez ten pryzmat, przy czym kierunki modulacji zgodne są z kątami azymutów pryzmatów W1 i W2, wynoszącymi odpowiednio α = 45, 0. Po przejściu światła przez analizator A powstaje pole interferencyjne, rejestrowane przez kamerę D, którego najważniejszą cechą jest istnienie w nim siatki tzw. wirów optycznych, tzn. izolowanych punktów o zerowej wartości natężenia światła, charakteryzujących się tym, że faza fali świetlnej w tych punktach jest nieokreślona. Jest to odpowiednik amplitudowego złożenia dwóch układów prążków interferencyjnych, jakie tworzą pryzmaty Wollastona umieszczone w odpowiedni sposób pomiędzy liniowym polaryzatorem a liniowym analizatorem. Wstawienie pomiędzy pryzmaty Wollastona W1 i W2 płytki płaskorównoległej PP wykonanej z takiego ośrodka, powoduje zmianę położenia znaczników pola interferencyjnego: różnica faz wnoszona przez ośrodek dwójłomny - przesunięcie znaczników proporcjonalne do tej różnicy, natomiast zmiana kąta azymutu ośrodka dwójłomnego - obrót tych znaczników. Jeżeli znaczniki rozmieszczone są w polu interferencyjnym dostatecznie gęsto to możliwe jest również lokalne badanie właściwości anizotropowych tych ośrodków. Różnica pomiędzy dotychczas stosowanymi układami polaryskopowymi a przedstawionym polega na tym, że do identyfikacji właściwości ośrodka wykorzystuje się ruch wirów optycznych, podczas gdy w klasycznych metodach stosowano metody rejestracji wielu obrazów interferencyjnych przy zmiennych parametrach układu polaryskopowego, takich jak zmienne azymuty polaryzatora P, analizatora A i anizotropowych płytek fazowych, umieszczonych w układzie w tym samym miejscu jak pryzmaty Wollastona w przedstawionej w niniejszym patencie metodzie. Polaryskopowy układ do generacji wirów optycznych pozwala zmierzyć właściwości ośrodka anizotropowego jedynie przy dwóch rejestracjach obrazów interferencyjnych: przed i po wstawieniu w bieg wiązki świetlnej ośrodka anizotropowego przy stałych położeniach elementów układu rejestrującego. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób pomiaru dwójłomności materiału, w którym falę świetlną polaryzuje się i moduluje, a zmodulowaną falę kieruje się na badany materiał dwójłomny, po czym falę świetlną moduluje się ponownie, znamienny tym, że tworzy się monochromatyczną płaską falę świetlną z użyciem źródła światła (Z) wraz z kolimatorem (K) biegnącą wzdłuż osi optycznej układu, którą polaryzuje się liniowo w polaryzatorze (P), po czym falę świetlną moduluje się zmienną różnicą faz wnoszoną przez pierwszy pryzmat Wollastona (W1), a jako różnicę faz w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali proporcjonalną do zmiennej różnicy faz wnoszonej przez pierwszy pryzmat Wollastona (W1) przyjmuje się różnicę faz między jej składowymi x i y w tej płaszczyźnie, tak zmodulowaną falę kieruje się na płytkę płaskorównoległą (PP) wykonaną z badanego materiału dwójłomnego, po czym falę świetlną moduluje się ponownie zmienną różnicą faz wnoszoną przez drugi pryzmat Wollastona (W2), przy
PL 211 200 B1 5 czym kierunki obu modulacji fali świetlej zgodne są z kątami azymutów pryzmatów (W1, W2) i wynoszą odpowiednio α 1 = 45 i α 2 = 0, następnie wytwarza się pole interferencyjne w wyniku przejścia fali świetlnej przez analizator (A), po czym rejestruje się kamerą (D) siatkę w postaci wirów optycznych, stanowiących izolowane punkty o zerowej wartości natężenia światła, o nieokreślonej fazie fali świetlnej w tych punktach. 2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że w zmodulowanej fali świetlnej w wyniku przejścia przez płytkę płaskorównoległą (PP) wykonaną z materiału dwójłomnego następuje przesunięcie wirów optycznych spowodowane różnicą faz wnoszoną przez badany materiał dwójłomny, przy czym przesunięcie to jest proporcjonalne do różnicy faz. 3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że w zmodulowanej fali świetlnej w wyniku przejścia przez płytkę płaskorównoległą (PP) wykonaną z materiału dwójłonmego następuje obrót tych wirów optycznych, przy czym kąt obrotu jest proporcjonalny do kąta azymutu ośrodka dwójłomnego. 4. Układ do pomiaru dwójłomności materiału, zawierający zestawione wzdłuż wiązki światła, źródło światła, polaryzator i analizator, a pomiędzy polaryzator i analizator wstawiony element kompensacyjny w postaci pryzmatu Wollastona i badany obiekt dwójłomny, znamienny tym, że wzdłuż wiązki światła ma zestawione źródło światła (Z), kolimator (K), polaryzator (P) ustawiony pod kątem azymutu α P =0, pierwszy pryzmat Wollastona (W1) ustawiony pod kątem azymutu α 1 =45, drugi pryzmat Wollastona (W2) ustawiony pod kątem azymutu α 2 = 0, analizator (A) ustawiony pod kątem azymutu α A = 45 oraz kamerę (D) podłączoną do komputera (C), przy czym pomiędzy pierwszym pryzmatem Wollastona (W1) i drugim pryzmatem Wollastona (W2) jest umieszczona płytka płaskorównoległa (PP) wykonana z badanego materiału dwójłomnego.
6 PL 211 200 B1 Rysunek Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)