OSI王子計測KOBRA-WX100長尺試料用位相差測定裝置技術(shù)文獻(xiàn)

文獻(xiàn)編號：OSI-TD-KWX100-2026
發(fā)布日期：2026年6月
版本：2.0

摘要

本技術(shù)文獻(xiàn)系統(tǒng)闡述了OSI王子計測（Oji Keisoku）株式會社開發(fā)的KOBRA-WX100型長尺試料用位相差測定裝置的技術(shù)原理、系統(tǒng)架構(gòu)、性能參數(shù)及典型應(yīng)用場景。KOBRA-WX100是基于平行尼科爾旋轉(zhuǎn)法的高精度光學(xué)相位差測量系統(tǒng)，專為長條形和大尺寸光學(xué)薄膜的離線非接觸式檢測而設(shè)計，在光學(xué)薄膜制造、液晶顯示面板、偏光板及相位差膜等領(lǐng)域的研發(fā)與品質(zhì)管理中具有重要應(yīng)用價值。

1 引言

在液晶顯示面板、光學(xué)功能薄膜、柔性電子器件及生物組織成像等領(lǐng)域，材料的雙折射性質(zhì)與相位延遲量是評價其光學(xué)性能的核心參數(shù)之一。所謂位相差（Retardation），是指偏振光通過各向異性材料時，尋常光（o光）與非尋常光（e光）之間產(chǎn)生的光程差，這一物理量的分布直接影響到液晶顯示器的對比度、視角特性、色彩表現(xiàn)以及各類波片、偏振片的光學(xué)功能實現(xiàn)。

傳統(tǒng)上，研究人員多采用折射率測定配合偏光顯微鏡觀察的方法來評估分子取向，但這些方法操作較為繁瑣，難以實現(xiàn)對相位延遲量的精確量化。KOBRA系列位相差測定裝置正是為應(yīng)對這一需求而開發(fā)的專用光學(xué)測量設(shè)備。該系列由日本王子計測（OSI, Oji Keisoku）株式會社開發(fā)制造，從1996年推出初代臺式KOBRA-31PR以來，經(jīng)過二十余年的技術(shù)迭代，逐步擴(kuò)展到WX、WFD、WI等多個子系列，服務(wù)于光學(xué)薄膜制造、液晶顯示、新材料研發(fā)等行業(yè)的品質(zhì)控制與工程研究。

KOBRA-WX系列是王子計測專為長條形和大尺寸光學(xué)薄膜、偏光板、相位差膜設(shè)計的離線高精度自動進(jìn)樣式相位差測量系統(tǒng)。WX100為該系列中的中間幅寬型號，對應(yīng)100 mm幅寬的樣品，另有WX50（50 mm幅寬）和WX150（150 mm幅寬）型號可供選擇，可滿足不同規(guī)格長尺樣品的測量需求。

2 核心技術(shù)原理

2.1 平行尼科爾旋轉(zhuǎn)法（Parallel Nicol Rotation Method）

KOBRA-WX100采用王子計測專有的平行尼科爾旋轉(zhuǎn)法作為核心測量技術(shù)，其本質(zhì)屬于旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器法（Rotating Compensator Method）的一個分支。該方法的精髓在于將“看不見的相位差"轉(zhuǎn)化為“可測量的光強(qiáng)信號"。

測量過程由以下五個步驟組成：

1. 偏振光產(chǎn)生：光源模塊發(fā)出特定波長的單色線偏振光。系統(tǒng)內(nèi)置4顆窄帶LED，標(biāo)稱波長分別為450 nm、550 nm、590 nm和650 nm，可根據(jù)測量需求快速切換。

2. 高速相位調(diào)制：系統(tǒng)內(nèi)的1/4波片（旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器）以約2000 rpm的速度連續(xù)旋轉(zhuǎn)，動態(tài)改變進(jìn)入樣品的偏振態(tài)。

3. 樣品雙折射作用：當(dāng)光線經(jīng)過樣品時，由于材料內(nèi)部的雙折射性質(zhì)，o光和e光之間產(chǎn)生相位差δ（Retardation）。

4. 檢偏與信號采集：經(jīng)過樣品后的調(diào)制偏振光通過檢偏器，最終光強(qiáng)被CCD相機(jī)即時捕獲并記錄。儀器在2秒內(nèi)采樣約360個數(shù)據(jù)點，擬合誤差 值<0.05%。

5. 傅里葉分析解析：透射光強(qiáng)的變化模式與樣品的相位差和快軸方位角之間存在確定的函數(shù)關(guān)系，其基本數(shù)學(xué)表達(dá)為：

   $$I(\theta )=I_0[1+\sin ?(2\theta +\phi )?\sin ?\delta ]$$

   其中δ為相位延遲量，φ為慢軸方位角。通過傅里葉分析算法對采集到的光強(qiáng)序列進(jìn)行數(shù)學(xué)解析，即可同時計算出這兩個關(guān)鍵物理量。

2.2 平行尼科爾旋轉(zhuǎn)法的技術(shù)優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)檢偏器法或正交尼科爾旋轉(zhuǎn)法，平行尼科爾旋轉(zhuǎn)法具有以下優(yōu)勢：

• 超低相位差靈敏度高，可準(zhǔn)確測量2 nm以下的極微小相位差；

• 光路穩(wěn)定性強(qiáng)，受環(huán)境振動和溫度漂移影響小；

• 全量程無檔位切換，從超低位相擴(kuò)展到超高相位差全程單次測量；

• 重復(fù)性好，有利于長期穩(wěn)定的批量樣品檢測。

3 系統(tǒng)架構(gòu)與硬件組成

KOBRA-WX100的整機(jī)系統(tǒng)集成了多個精密光學(xué)與機(jī)電部件，從物理結(jié)構(gòu)上可劃分為以下五個主要模塊：

3.1 光源模組

采用高穩(wěn)定性可插拔LED卡匣設(shè)計，內(nèi)置4顆窄帶LED光源，標(biāo)稱波長分別為450 nm、550 nm、590 nm和650 nm，切換波長無需重新校準(zhǔn)。LED固態(tài)光源使用壽命超過20000小時，相比傳統(tǒng)鹵素?zé)魺o需更換燈泡，大幅降低了日常維護(hù)成本和設(shè)備停機(jī)時間。

3.2 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器

采用石英1/4波片作為旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器，延遲精度達(dá)±0.1 nm，年老化率低于0.2 nm，理論使用壽命可達(dá)五年以上無需更換。

3.3 樣品臺與進(jìn)樣系統(tǒng)

支持最大幅寬100 mm、最大長度1000 mm的長尺試料自動進(jìn)樣測量。通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，可實現(xiàn)幅寬方向的連續(xù)Profile掃描和長度方向的多點采樣，獲取材料的全幅均勻性分布曲線。

3.4 探測器

配備光電二極管或CCD陣列作為出射光強(qiáng)信號的采集元件，受光面積為33 mm2（5.8 mm方形區(qū)域），單次測量即可獲取樣品的相位差和取向角參數(shù)。

3.5 控制系統(tǒng)

整套儀器包含以下硬件構(gòu)成：

• 測定器本體（主測量單元）

• 光源裝置

• 控制器

• 計算機(jī)（配套PC）

• 顯示器

• 打印機(jī)（用于報告輸出）

主控軟件為KOBRA-DSP/X，內(nèi)建數(shù)據(jù)庫功能，可一鍵輸出CSV、Excel、JPG等格式的數(shù)據(jù)報告，并可與工廠MES系統(tǒng)對接，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的自動上傳和追溯管理。

4 技術(shù)規(guī)格與性能參數(shù)

KOBRA-WX100的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)匯總?cè)缦拢?/span>

4.1 基礎(chǔ)規(guī)格

4.2 測量性能指標(biāo)

4.3 物理尺寸與重量

4.4 WX100/IR紅外版規(guī)格

針對偏光板測量等特殊應(yīng)用，WX100還提供紅外（IR）版本，其測定波長為850 nm、900 nm、950 nm、1000 nm、1050 nm和1100 nm六個波段，適用于PVA基材和碘染色偏光板的相位差分離評估。在標(biāo)準(zhǔn)版測量中發(fā)現(xiàn)偏光膜的延伸不均勻性難以辨識時，采用近紅外波長可有效改善檢測效果。

5 產(chǎn)品特點與創(chuàng)新設(shè)計

5.1 寬量程全范圍測量

KOBRA-WX100可實現(xiàn)從超低相位差（2 nm以下）到超高相位差（20,000 nm）的全量程單次測量，無需檔位切換，能夠滿足從超薄OLED膜到厚補(bǔ)償膜的全品類樣品檢測需求。這一特性顯著提升了檢測效率，避免了因檔位選擇不當(dāng)而導(dǎo)致的測量誤差。

5.2 高重復(fù)精度與長期穩(wěn)定性

在相位差測量方面，該裝置具有±1 nm以內(nèi)的重復(fù)精度；取向角測量則實現(xiàn)了±0.05°的高再現(xiàn)性，相位差和取向角的分辨率均可達(dá)到0.001 nm和0.001°。經(jīng)過長達(dá)二十余年的技術(shù)迭代，KOBRA系列在長期測量穩(wěn)定性方面積累了豐富的工程經(jīng)驗。

5.3 LED光源免維護(hù)設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)采用LED固態(tài)光源，使用壽命超過20,000小時，無需更換光源燈泡，從根源上消除了傳統(tǒng)鹵素?zé)纛l繁更換的維護(hù)負(fù)擔(dān)，大幅減少易損件消耗。

5.4 高兼容性與可擴(kuò)展性

KOBRA-WX系列與其他KOBRA系列設(shè)備在樣品架、治具和備品方面保持通用，方便用戶升級設(shè)備或復(fù)用現(xiàn)有資源。此外，還支持定制紅外波段測量等拓展功能，可靈活適配不同行業(yè)和應(yīng)用場景的需求。

5.5 優(yōu)秀的可操作性

配套KOBRA-DSP/X專業(yè)分析軟件支持自動測量、多點面內(nèi)分布測量、數(shù)據(jù)圖譜可視化、檢測報告自動生成等功能，顯著降低了操作門檻和人工成本。用戶可快速獲取幅寬方向的相位差和取向角分布曲線，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀分析和追溯管理。

6 測量項目與數(shù)據(jù)輸出

KOBRA-WX100可輸出以下三類核心測量結(jié)果：

1. 相位差（位相差） ：表示偏振光通過樣品時o光與e光之間的光程差，單位為nm。該參數(shù)直接反映材料的雙折射特性，是評價光學(xué)薄膜性能最核心的指標(biāo)之一。

2. 取向角（配向角） ：表示樣品中分子取向的方向角，反映材料的各向異性分布特征。取向角的均勻性是評價拉伸薄膜和偏光板質(zhì)量的重要依據(jù)。

3. 幅寬方向分布曲線（幅方向プロファイル） ：沿樣品幅寬方向連續(xù)掃描獲取的相位差或取向角變化曲線，用于評價薄膜幅寬方向的一致性和均勻性。該功能對于大尺寸光學(xué)膜的制程監(jiān)控具有重要意義。

數(shù)據(jù)輸出格式支持CSV、Excel和JPG圖像，便于進(jìn)行批量化數(shù)據(jù)分析和報告生成。軟件可與MES系統(tǒng)對接，實現(xiàn)“邊測邊判"的自動化檢測流程。

7 主要應(yīng)用領(lǐng)域

7.1 光學(xué)功能薄膜的研發(fā)與品質(zhì)管理

KOBRA-WX100廣泛應(yīng)用于偏光板、相位差膜（補(bǔ)償膜）、COP膜、PI膜等光學(xué)薄膜的研發(fā)與品質(zhì)管理。通過對相位差和取向角的精確測量，可有效評估薄膜的光學(xué)性能，優(yōu)化拉伸和涂布工藝參數(shù)，監(jiān)控全幅均勻性，實現(xiàn)產(chǎn)線級批量質(zhì)檢。

7.2 液晶顯示面板行業(yè)

在LCD和OLED顯示面板制造中，該設(shè)備可用于評估取向膜（PI）的摩擦取向效果、相位差膜的波長色散特性以及液晶層的盒厚分布，直接影響顯示面板的對比度、視角和色彩表現(xiàn)。

7.3 高分子材料與包裝行業(yè)

在拉伸薄膜（PET、PC、PMMA等）的研發(fā)與生產(chǎn)中，通過相位差測量可獲得材料的雙折射Δn和取向度等信息，用于評估材料的力學(xué)性能和光學(xué)性能之間的關(guān)系。包裝薄膜的熱收縮性能和撕裂方向評價也可借助該設(shè)備完成。

7.4 來料檢驗與出貨全尺寸質(zhì)檢

光學(xué)膜供應(yīng)商可利用KOBRA-WX100對出貨品進(jìn)行快速全尺寸抽檢，確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和可靠性。通過幅寬方向Profile掃描，可及時發(fā)現(xiàn)制程波動導(dǎo)致的均勻性問題，減少客戶投訴和批次退貨風(fēng)險。

8 維護(hù)與保養(yǎng)要點

KOBRA-WX100的設(shè)計充分考慮了工業(yè)現(xiàn)場的長期運(yùn)行需求，日常維護(hù)工作主要集中在以下幾個方面：

1. 光源維護(hù)：LED固態(tài)光源壽命超過20,000小時，理論上無需更換。但建議定期檢查光源強(qiáng)度，如發(fā)現(xiàn)衰減異常及時檢修。

2. 光學(xué)清潔：定期清潔偏振片、補(bǔ)償器和樣品臺光學(xué)窗口，防止灰塵和污染物影響測量精度。

3. 校準(zhǔn)驗證：建議使用標(biāo)準(zhǔn)相位差板定期進(jìn)行校準(zhǔn)驗證，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可追溯性。

4. 軟件更新：KOBRA-DSP/X軟件會不定期發(fā)布更新版本，建議及時更新以獲取最新的測量算法和功能優(yōu)化。

9 結(jié)論

OSI王子計測KOBRA-WX100長尺試料用位相差測定裝置是一款針對大尺寸光學(xué)薄膜需求而開發(fā)的專業(yè)光學(xué)檢測儀器。其基于平行尼科爾旋轉(zhuǎn)法的測量原理，實現(xiàn)了從超低到超高相位差的全量程、高精度、非接觸式檢測，同時具備優(yōu)異的操作便利性和長期運(yùn)行穩(wěn)定性。

在光學(xué)薄膜制造、液晶顯示行業(yè)及高分子材料研究等領(lǐng)域，該設(shè)備為材料的雙折射特性評價、分子取向分析和工藝均勻性監(jiān)控提供了可靠的技術(shù)手段。隨著顯示技術(shù)向Micro-LED、柔性屏方向發(fā)展，以及新材料研發(fā)對光學(xué)檢測精度要求的不斷提高，KOBRA-WX100將在光學(xué)材料的質(zhì)量控制和工程研發(fā)中發(fā)揮更加重要的作用。

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