基于Stokes矢量分析的偏光片光學參數測量

步海軍,黎俊,夏燕,湯坤,王攀,曾婷婷,江鋮,閔林

(1.蘇州市計量測試院,江蘇 蘇州 215128；2.國家平板顯示產業計量測試中心(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鍵光學材料[1],在液晶顯示器中,雙層偏光片結構轉換并解析偏振光,產生明暗對比,從而產生顯示畫面;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,精確測量偏光片透過率對于顯示器產品質量管控具有重要意義。偏光片透過率的傳統測量方法為:通過一個已知偏振特性的偏振棱鏡(或偏光片)產生具有特定偏振態的線偏光,考察其透過相對轉動的待測偏光片后光強度的變化來計算偏振參數[2]。這種方法測量原理較為簡單,所使用的測量儀器結構也不復雜,因此得到了廣泛的應用。然而由于該方法中光源一般具有部分偏振特性,且探測器光響應存在偏振依賴性,導致其測量準確性不能滿足先進制造的技術要求。而且,顯示產業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,該位相差對顯示器的圖像質量具有重要影響,需要對其進行詳細表征,而傳統測量方法無法表征該位相差。

針對上述問題,本文提出了基于Stokes矢量分析的方法,通過測量入射到樣品以及從樣品出射的偏振光的Stokes矢量,分析偏振態的變化,以此來解析偏光片的偏振光學參數。該方法不依賴于起偏器和檢偏器的相對轉動,可以有效避免光源和探測器的偏振特性引起的測量誤差;而且,對于非理想偏光片,該方法可以同時測量出樣品中可能帶有的位相差。對該方法的基本原理、計算公式、裝置組成進行詳細介紹,并開展實際測量實驗及不確定度分析,驗證該方法的準確性與可靠性,為顯示領域產品后續光學補償設計提供重要指導。

1 測量原理及裝置設計

光是一種電磁波,其電場分量可以表示為兩個相互垂直的分量

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

光也可以用Stokes矢量來表示[3],即

當光經過偏振元件后,光的偏振狀態一般會發生變化,其Stokes分量變為

這一光與物質的相互作用過程可以用公式簡單描述為

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參數信息,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的改變情況,即可解析得出偏振元件的光學參數。

對于理想偏光片,相互垂直的兩個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的1/4波片和固定偏振棱鏡實現。光的強度[4]可以表示為

式中:θ為1/4波片快軸相對于x軸的角度。測量得到入射光和出射光的Stokes矢量后就可以通過最優化算法來計算偏光片的參數[5]。

基于上述原理,本文設計的測量裝置的光路如圖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為探測器。測量時,首先不將樣品置入光路,測量入射光的Stokes矢量;再將樣品置入光路,測量從樣品出射的光的Stokes分量,此時的光路情況為:從光源S(在本文中為鹵鎢燈)出射的非偏振光經透鏡L準直后進入偏振棱鏡P和1/4波片R構成的圓偏振器形成近圓偏振光入射到樣品(為了避免待測偏光片隨機放置使入射偏振光偏振方向與偏光片吸收軸重合,導致出射光強度過低,影響透過率的測量精度,采用近圓偏振光作為測試光來測量透過率),之后從樣品出射的光依次進入1/4波片R‘(R‘在步進電機的驅動下做旋轉運動)和偏振棱鏡P‘,在透鏡L‘的作用下匯聚到探測器D(在本文中為光譜儀)。

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

2 測量結果及不確定度分析

顯示器行業中使用的偏光片的一般結構如圖2所示,其主要由PVA膜、TAC膜、保護膜、離型膜和壓敏膠等復合制成,其中PVA膜是起偏振作用的核心膜材。

圖2 常見偏光片結構Fig.2 Structure of common sheet polarizers

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

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。本實驗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(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

經待測偏光片作用后,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,但是在顯示器行業比較關注的波段450～650 nm中,偏振度相對較高。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,這主要是因為偏光片制造過程中需要對基材進行拉伸造成的。

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)計算得到,將其代入公式(6),通過最優化算法,結合輸入輸出光的Stokes分量,計算得出偏光片的透過率。將本方法的測量結果與Cary5000分光光度計的測量結果進行對比,如圖7所示。

圖7 測量結果與Cary5000分光光度計測量結果的對比Fig.7 Comparison of the measurement result and the result measured by Cary5000 spectrophotometer

圖7表明基于Stokes矢量分析方法的測量結果誤差在2%以內。產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,經過進一步的光路調整,測量誤差可以得到有效降低[6-9]。

透過率的測量不確定度分析依據JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定和表示》進行[10],具體計算過程如下:

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,具有一定發散角的光源發出的光進入偏振棱鏡后,出射光中同時具有尋常光和非尋常光,由此引起的透過率的測量誤差為3%,按照均勻分布計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%,按照均勻分布計算其不確定度分量為

3)測量重復性引起的不確定度分量u3

透過率測量重復性引起的不確定度分量按照A類不確定度評定方法進行評定,計算結果為

4)光譜儀測量誤差引起的不確定度分量u4

光譜儀測量誤差引起的不確定度分量取其溯源標準不確定度

各不確定度分量之間相互獨立,按照標準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,擴展不確定度為U=3.6%(k=2)。

3 結論

平板顯示產業對多種偏振光學薄膜材料(例如偏光膜、相位補償膜等)有著巨大的需求,相關材料的偏振光學性能測試對保障顯示器質量具有重要意義。本文提出的基于Stokes矢量分析測量偏光片光學參數的方法相較傳統測量方法具有更快的速度,更加適用于偏光膜生產線中的質量監控;而且該方法具有很好的普適性及可擴展性,只需要更改最優化算法即可適用于其他種類的偏振光學薄膜測量,例如相位差膜等[11-12],為推動平板顯示產業高質量發展提供了有力支撐。