OSI王子計(jì)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(hào)：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(jì)測（Oji Keisoku）株式會(huì)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(jì)，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(jià)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(píng)價(jià)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(shí)，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(shí)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(píng)估分子取向，但這些方法操作較為繁瑣，難以實(shí)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(jì)測（OSI, Oji Keisoku）株式會(huì)社開發(fā)制造，從1996年推出初代臺(tái)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(gè)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(jì)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(jì)的離線高精度自動(dòng)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(hào)，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(hào)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(jì)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(gè)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(hào)"。

測量過程由以下五個(gè)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(dòng)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(shí)，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(hào)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(shí)捕獲并記錄。儀器在2秒內(nèi)采樣約360個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，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(shí)計(jì)算出這兩個(gè)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(dòng)和溫度漂移影響??；

• 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(gè)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(gè)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(jì)，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(shí)，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(shí)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(tái)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(dòng)進(jìn)樣測量。通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)幅寬方向的連續(xù)Profile掃描和長度方向的多點(diǎn)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(hào)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(jì)算機(jī)（配套PC）

• 顯示器

• 打印機(jī)（用于報(bào)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(bào)告，并可與工廠MES系統(tǒng)對接，實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的自動(dòng)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(gè)波段，適用于PVA基材和碘染色偏光板的相位差分離評(píng)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(shí)時(shí)，采用近紅外波長可有效改善檢測效果。

5 產(chǎn)品特點(diǎn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

5.1 寬量程全范圍測量

KOBRA-WX100可實(shí)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(shí)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(yàn)。

5.3 LED光源免維護(hù)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)采用LED固態(tài)光源，使用壽命超過20,000小時(shí)，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(jí)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(dòng)測量、多點(diǎn)面內(nèi)分布測量、數(shù)據(jù)圖譜可視化、檢測報(bào)告自動(dòng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀分析和追溯管理。

6 測量項(xiàng)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(shí)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(bào)告生成。軟件可與MES系統(tǒng)對接，實(shí)現(xiàn)“邊測邊判"的自動(dòng)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(píng)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)線級(jí)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(píng)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(píng)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(píng)價(jià)也可借助該設(shè)備完成。

7.4 來料檢驗(yàn)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(shí)發(fā)現(xiàn)制程波動(dòng)導(dǎo)致的均勻性問題，減少客戶投訴和批次退貨風(fēng)險(xiǎn)。

8 維護(hù)與保養(yǎng)要點(diǎn)

KOBRA-WX100的設(shè)計(jì)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(gè)方面：

1. 光源維護(hù)：LED固態(tài)光源壽命超過20,000小時(shí)，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(shí)檢修。

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

3. 校準(zhǔn)驗(yàn)證：建議使用標(biāo)準(zhǔn)相位差板定期進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)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(huì)不定期發(fā)布更新版本，建議及時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(píng)價(jià)、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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