KOBRA-WX位相差測定装置技术原理：让“相位”变成“光强”

在液晶取向膜厚度仅50 nm的时代，传统接触式量测已形同“用卡尺量头发”。KOBRA-WX位相差测定装置应运而生——这台来自日本王子计测的桌面型设备，以“旋转补偿器＋高速偏振调制”为核心，可在450–650 nm波段内把相位延迟读到λ/10000（≈0.1 nm），并把慢轴方位角解到0.05°，相当于在地球表面辨认一枚硬币的朝向。

一、KOBRA-WX位相差測定装置技术原理：让“相位”变成“光强”

KOBRA-WX采用旋转补偿器法（Rotating Compensator Method）：

1.单色LED（λ=590 nm典型）发出线偏振光；

2.1/4波片以2000 rpm高速旋转，连续改变快轴角度θ；

3.样品双折射导致o光与e光产生相位差δ；

4.检偏器后的光强I(θ,δ)被CCD即时记录，透过傅立叶分析解出δ与方位角φ，公式：

I(θ)=I0[1+sin(2θ+φ)·sinδ]

仪器在2 s内采样360点，拟合误差<0.05%，最终把“看不见的相位”转成“读得出的数字”。

二、系统架构：一张“光学工作台”浓缩进0.1 m³

-光源模组：4颗窄带LED（450、550、590、650 nm）集成于可插拔卡匣，切换波长无需重新校准；

-补偿器：石英1/4波片，延迟精度±0.1 nm，年老化率<0.2 nm，五年免更换；

-样品台：电动X-Y-θ三轴，行程100×100 mm，最小步进50 nm，可载6吋晶圆或350×350 mm母板；

-探测器：2/3吋CMOS，2048×2048像素，动态范围72 dB，单帧即可给出“延迟图＋方位图”双影像；

-软件：KOBRA-DSP/X内建数据库，可一键输出CVS、Excel、JPG，并与MES对接，实现“边量边判”。

三、KOBRA-WX位相差測定装置性能指标：把“极限”做成“日常”

项目KOBRA-WX典型值

相位延迟范围0–10 000 nm（相当于0–20λ590 nm）

重复精度±0.1 nm（3σ，10次量测）

空间解析33µm（单像素对应5.8µm×5.8µm）

角度再现±0.05°（慢轴方位）

量测速度2 s/点，30 s/全场（100万像素）

波长扩展可加购IR模组至1100 nm，用于InP、GaN应力表征。

四、应用场景：一机走遍光电上下游

1.液晶面板

-PI取向膜摩擦后，延迟须控制在0.3±0.05 nm，否则对比度下降5%；KOBRA-WX可给出1 m×1 m母板的“延迟等高线”，直接指导摩擦布更换时机。

2.偏光片／波片

-宽波长波片要求550 nm延迟137.5 nm、650 nm延迟140 nm，色散差<2%；仪器切换4波长自动扫描，30 s输出“延迟–波长”曲线，取代传统分光椭偏仪2 h工作量。

3.OLED柔性膜

-20µm CPI（无色聚酰亚胺）弯折10 k次后，延迟从8 nm升至15 nm，对应内应力增大30%；KOBRA-WX与弯折机联线，可建立“弯折–应力”数据库，指导材料配方。

4.生医组织

-胶原纤维双折射Δn≈1.5×10⁻³，厚度10µm时延迟15 nm；设备配备37℃恒温腔，可观察细胞牵拉过程中“应力纤维”取向变化，为癌症早期诊断提供光学标记。

五、操作要点：把“艺术”变成“SOP”

1.校准：每日使用NIST可追溯的127 nm石英标准片，一键完成“零点–增益–波长”三点校验，偏差>0.5 nm即提示重新标定；

2.聚焦：自动对焦激光先锁定样品表面，Z轴重复精度±1µm，避免“离焦”导致延迟虚高；

3.洁净：量测区HEPA循环，Class 1000，防止灰尘散射造成伪影；

4.软件：开放Python API，用户可自编“延迟–应力”换算公式，即时把光学数据转成力学结果。

六、常见故障与排除

-延迟值跳动>±0.3 nm：多为补偿器轴承进尘，可拆下用无水乙醇超声5 min，复装后即；

-影像出现条纹：LED驱动频率与CMOS曝光频率耦合，把曝光时间从1 ms改为1.2 ms即可消除；

-长波长模组讯号弱：LED老化，电流从500 mA升至700 mA，光强可恢复至出厂90%，寿命仍>5000 h。