基于Stokes矢量分析的偏光片光學(xué)參數(shù)測(cè)量

步海軍,黎俊,夏燕,湯坤,王攀,曾婷婷,江鋮,閔林

(1.蘇州市計(jì)量測(cè)試院,江蘇 蘇州 215128；2.國家平板顯示產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心(蘇州）,江蘇 蘇州 215163）

0 引言

偏光片是平板顯示器制造過程中的關(guān)鍵光學(xué)材料[1],在液晶顯示器中,雙層偏光片結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換并解析偏振光,產(chǎn)生明暗對(duì)比,從而產(chǎn)生顯示畫面;在目前流行的AMOLED顯示器中,偏光片的使用有效地降低了OLED顯示器表面的反射,提升了顯示器視覺效果。

偏光片透過軸和吸收軸的光譜透過率直接影響顯示器的視覺效果,精確測(cè)量偏光片透過率對(duì)于顯示器產(chǎn)品質(zhì)量管控具有重要意義。偏光片透過率的傳統(tǒng)測(cè)量方法為:通過一個(gè)已知偏振特性的偏振棱鏡(或偏光片)產(chǎn)生具有特定偏振態(tài)的線偏光,考察其透過相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的待測(cè)偏光片后光強(qiáng)度的變化來計(jì)算偏振參數(shù)[2]。這種方法測(cè)量原理較為簡(jiǎn)單,所使用的測(cè)量儀器結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜,因此得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于該方法中光源一般具有部分偏振特性,且探測(cè)器光響應(yīng)存在偏振依賴性,導(dǎo)致其測(cè)量準(zhǔn)確性不能滿足先進(jìn)制造的技術(shù)要求。而且,顯示產(chǎn)業(yè)中所使用的偏光片一般是通過高分子薄膜材料拉伸后吸附碘分子制造的,在獲得偏光特性的同時(shí)難免使得材料帶有部分二向色性,即在相互垂直的光軸上存在位相差,該位相差對(duì)顯示器的圖像質(zhì)量具有重要影響,需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)表征,而傳統(tǒng)測(cè)量方法無法表征該位相差。

針對(duì)上述問題,本文提出了基于Stokes矢量分析的方法,通過測(cè)量入射到樣品以及從樣品出射的偏振光的Stokes矢量,分析偏振態(tài)的變化,以此來解析偏光片的偏振光學(xué)參數(shù)。該方法不依賴于起偏器和檢偏器的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),可以有效避免光源和探測(cè)器的偏振特性引起的測(cè)量誤差;而且,對(duì)于非理想偏光片,該方法可以同時(shí)測(cè)量出樣品中可能帶有的位相差。對(duì)該方法的基本原理、計(jì)算公式、裝置組成進(jìn)行詳細(xì)介紹,并開展實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)及不確定度分析,驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性與可靠性,為顯示領(lǐng)域產(chǎn)品后續(xù)光學(xué)補(bǔ)償設(shè)計(jì)提供重要指導(dǎo)。

1 測(cè)量原理及裝置設(shè)計(jì)

光是一種電磁波,其電場(chǎng)分量可以表示為兩個(gè)相互垂直的分量

式中:E0x和E0y分別為x,y方向上電場(chǎng)分量的振幅;δx和δy分別為x,y方向上電場(chǎng)分量的初始位相;ω為圓頻率;t為時(shí)間;k為波矢;r為空間坐標(biāo)。

光也可以用Stokes矢量來表示[3],即

當(dāng)光經(jīng)過偏振元件后,光的偏振狀態(tài)一般會(huì)發(fā)生變化,其Stokes分量變?yōu)?/p>

這一光與物質(zhì)的相互作用過程可以用公式簡(jiǎn)單描述為

式中:M為偏振元件的4×4階Mueller矩陣,其中各矩陣元包含了該元件的偏振光學(xué)參數(shù)信息,通過分析入射到偏振元件和從偏振元件出射的光的偏振狀態(tài)的改變情況,即可解析得出偏振元件的光學(xué)參數(shù)。

對(duì)于理想偏光片,相互垂直的兩個(gè)方向上只存在透過率的差異,而沒有相位差,其Mueller矩陣可以寫為

偏振光Stokes矢量的解析通過使光依次通過旋轉(zhuǎn)的1/4波片和固定偏振棱鏡實(shí)現(xiàn)。光的強(qiáng)度[4]可以表示為

式中:θ為1/4波片快軸相對(duì)于x軸的角度。測(cè)量得到入射光和出射光的Stokes矢量后就可以通過最優(yōu)化算法來計(jì)算偏光片的參數(shù)[5]。

基于上述原理,本文設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置的光路如圖1所示,其中S為光源,L與L‘為透鏡,P與P‘為偏振棱鏡,R與R‘為1/4波片,D為探測(cè)器。測(cè)量時(shí),首先不將樣品置入光路,測(cè)量入射光的Stokes矢量;再將樣品置入光路,測(cè)量從樣品出射的光的Stokes分量,此時(shí)的光路情況為:從光源S(在本文中為鹵鎢燈)出射的非偏振光經(jīng)透鏡L準(zhǔn)直后進(jìn)入偏振棱鏡P和1/4波片R構(gòu)成的圓偏振器形成近圓偏振光入射到樣品(為了避免待測(cè)偏光片隨機(jī)放置使入射偏振光偏振方向與偏光片吸收軸重合,導(dǎo)致出射光強(qiáng)度過低,影響透過率的測(cè)量精度,采用近圓偏振光作為測(cè)試光來測(cè)量透過率),之后從樣品出射的光依次進(jìn)入1/4波片R‘(R‘在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))和偏振棱鏡P‘,在透鏡L‘的作用下匯聚到探測(cè)器D(在本文中為光譜儀)。

圖1 偏光片測(cè)量裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the polarizer measurement device

2 測(cè)量結(jié)果及不確定度分析

顯示器行業(yè)中使用的偏光片的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示,其主要由PVA膜、TAC膜、保護(hù)膜、離型膜和壓敏膠等復(fù)合制成,其中PVA膜是起偏振作用的核心膜材。

圖2 常見偏光片結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of common sheet polarizers

一般情況下,由于光路中光學(xué)元件表面的反射、折射、散射等效應(yīng),光源并非完全偏振光,偏振度Pol計(jì)算公式為

式中:Pol=1表示完全偏振光;Pol=0表示非偏振光;Pol介于0和1之間表示部分偏振光。本實(shí)驗(yàn)中光源的偏振度如圖3所示,可以看出在可見光波段入射光具有非常高的偏振度。

圖3 入射光的偏振度曲線Fig.3 Polarization degree of the input light

光源的約化Stokes分量的色散曲線如圖4所示,在本文研究的波段范圍內(nèi)(450～650 nm)入射光十分接近右旋偏振光(Stokes矢量為(1 0 0 1)T)。

圖4 入射光的Stokes分量Fig.4 Stokes vector of the input light

經(jīng)待測(cè)偏光片作用后,入射偏振光的偏振度以及約化Stokes分量分別如圖5和圖6所示。由于高分子材料在短波波段可能存在的散射吸收作用,出射光在短波段的偏振度有所下降,但是在顯示器行業(yè)比較關(guān)注的波段450～650 nm中,偏振度相對(duì)較高。出射光的約化Stokes矢量表明出射光是橢圓偏振光,S3≠0,表明偏光片基材具有輕微的二向色性,這主要是因?yàn)槠馄圃爝^程中需要對(duì)基材進(jìn)行拉伸造成的。

圖5 出射光的偏振度曲線Fig.5 Polarization degree of the output light

圖6 出射光的Stokes分量Fig.6 Stokes vector of the output light

橢圓偏振光的主軸方向可由公式(9)計(jì)算得到,將其代入公式(6),通過最優(yōu)化算法,結(jié)合輸入輸出光的Stokes分量,計(jì)算得出偏光片的透過率。將本方法的測(cè)量結(jié)果與Cary5000分光光度計(jì)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖7所示。

圖7 測(cè)量結(jié)果與Cary5000分光光度計(jì)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比Fig.7 Comparison of the measurement result and the result measured by Cary5000 spectrophotometer

圖7表明基于Stokes矢量分析方法的測(cè)量結(jié)果誤差在2%以內(nèi)。產(chǎn)生誤差的主要原因是光路中偏振棱鏡與光軸不完全垂直造成的偏振光成分不單一,經(jīng)過進(jìn)一步的光路調(diào)整,測(cè)量誤差可以得到有效降低[6-9]。

透過率的測(cè)量不確定度分析依據(jù)JJF 1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定和表示》進(jìn)行[10],具體計(jì)算過程如下:

1)光軸偏離中心引起的不確定度分量u1

偏振棱鏡的接收角有限,具有一定發(fā)散角的光源發(fā)出的光進(jìn)入偏振棱鏡后,出射光中同時(shí)具有尋常光和非尋常光,由此引起的透過率的測(cè)量誤差為3%,按照均勻分布計(jì)算其不確定度分量為

2)偏光片不均勻性引起的不確定度分量u2

偏光片測(cè)量得到的透過率最大值和最小值之差為0.9%,按照均勻分布計(jì)算其不確定度分量為

3)測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量u3

透過率測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量按照A類不確定度評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)定,計(jì)算結(jié)果為

4)光譜儀測(cè)量誤差引起的不確定度分量u4

光譜儀測(cè)量誤差引起的不確定度分量取其溯源標(biāo)準(zhǔn)不確定度

各不確定度分量之間相互獨(dú)立,按照標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成原理,透過率的合成不確定度1.8%,取包含因子k=2,擴(kuò)展不確定度為U=3.6%(k=2)。

3 結(jié)論

平板顯示產(chǎn)業(yè)對(duì)多種偏振光學(xué)薄膜材料(例如偏光膜、相位補(bǔ)償膜等)有著巨大的需求,相關(guān)材料的偏振光學(xué)性能測(cè)試對(duì)保障顯示器質(zhì)量具有重要意義。本文提出的基于Stokes矢量分析測(cè)量偏光片光學(xué)參數(shù)的方法相較傳統(tǒng)測(cè)量方法具有更快的速度,更加適用于偏光膜生產(chǎn)線中的質(zhì)量監(jiān)控;而且該方法具有很好的普適性及可擴(kuò)展性,只需要更改最優(yōu)化算法即可適用于其他種類的偏振光學(xué)薄膜測(cè)量,例如相位差膜等[11-12],為推動(dòng)平板顯示產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供了有力支撐。