OSI王子計測KOBRA-WX100長尺試料用位相差測定裝置技術文獻

文獻編號：OSI-TD-KWX100-2026
發布日期：2026年6月
版本：2.0

摘要

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

1 引言

在液晶顯示面板、光學功能薄膜、柔性電子器件及生物組織成像等領域，材料的雙折射性質與相位延遲量是評價其光學性能的核心參數之一。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、色彩表現以及各類波片、偏振片的光學功能實現。

傳統上，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對這一需求而開發的專用光學測量設備。該系列由日本王子計測（OSI, Oji Keisoku）株式會社開發制造，從1996年推出初代臺式KOBRA-31PR以來，經過二十余年的技術迭代，逐步擴展到WX、WFD、WI等多個子系列，服務于光學薄膜制造、液晶顯示、新材料研發等行業的品質控制與工程研究。

KOBRA-WX系列是王子計測專為長條形和大尺寸光學薄膜、偏光板、相位差膜設計的離線高精度自動進樣式相位差測量系統。WX100為該系列中的中間幅寬型號，對應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，可滿足不同規格長尺樣品的測量需求。

2 核心技術原理

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

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

測量過程由以下五個步驟組成：

1. 偏振光產生：光源模塊發出特定波長的單色線偏振光。系統內置4顆窄帶LED，標稱波長分別為450 nm、550 nm、590 nm和650 nm，可根據測量需求快速切換。

2. 高速相位調制：系統內的1/4波片（旋轉補償器）以約2000 rpm的速度連續旋轉，動態改變進入樣品的偏振態。

3. 樣品雙折射作用：當光線經過樣品時，由于材料內部的雙折射性質，o光和e光之間產生相位差δ（Retardation）。

4. 檢偏與信號采集：經過樣品后的調制偏振光通過檢偏器，最終光強被CCD相機即時捕獲并記錄。儀器在2秒內采樣約360個數據點，擬合誤差 值<0.05%。

5. 傅里葉分析解析：透射光強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關系，其基本數學表達為：

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

   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序列進行數學解析，即可同時計算出這兩個關鍵物理量。

2.2 平行尼科爾旋轉法的技術優勢

相比傳統的旋轉檢偏器法或正交尼科爾旋轉法，平行尼科爾旋轉法具有以下優勢：

• 超低相位差靈敏度高，可準確測量2 nm以下的極微小相位差；

• 光路穩定性強，受環境振動和溫度漂移影響小；

• 全量程無檔位切換，從超低位相擴展到超高相位差全程單次測量；

• 重復性好，有利于長期穩定的批量樣品檢測。

3 系統架構與硬件組成

KOBRA-WX100的整機系統集成了多個精密光學與機電部件，從物理結構上可劃分為以下五個主要模塊：

3.1 光源模組

采用高穩定性可插拔LED卡匣設計，內置4顆窄帶LED光源，標稱波長分別為450 nm、550 nm、590 nm和650 nm，切換波長無需重新校準。LED固態光源使用壽命超過20000小時，相比傳統鹵素燈無需更換燈泡，大幅降低了日常維護成本和設備停機時間。

3.2 旋轉補償器

采用石英1/4波片作為旋轉補償器，延遲精度達±0.1 nm，年老化率低于0.2 nm，理論使用壽命可達五年以上無需更換。

3.3 樣品臺與進樣系統

支持最大幅寬100 mm、最大長度1000 mm的長尺試料自動進樣測量。通過步進電機驅動，可實現幅寬方向的連續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陣列作為出射光強信號的采集元件，受光面積為33 mm2（5.8 mm方形區域），單次測量即可獲取樣品的相位差和取向角參數。

3.5 控制系統

整套儀器包含以下硬件構成：

• 測定器本體（主測量單元）

• 光源裝置

• 控制器

• 計算機（配套PC）

• 顯示器

• 打印機（用于報告輸出）

主控軟件為KOBRA-DSP/X，內建數據庫功能，可一鍵輸出CSV、Excel、JPG等格式的數據報告，并可與工廠MES系統對接，實現檢測數據的自動上傳和追溯管理。

4 技術規格與性能參數

KOBRA-WX100的關鍵技術參數匯總如下：

4.1 基礎規格

4.2 測量性能指標

4.3 物理尺寸與重量

4.4 WX100/IR紅外版規格

針對偏光板測量等特殊應用，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。在標準版測量中發現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 產品特點與創新設計

5.1 寬量程全范圍測量

KOBRA-WX100可實現從超低相位差（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而導致的測量誤差。

5.2 高重復精度與長期穩定性

在相位差測量方面，該裝置具有±1 nm以內的重復精度；取向角測量則實現了±0.05°的高再現性，相位差和取向角的分辨率均可達到0.001 nm和0.001°。經過長達二十余年的技術迭代，KOBRA系列在長期測量穩定性方面積累了豐富的工程經驗。

5.3 LED光源免維護設計

標準采用LED固態光源，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鹵素燈頻繁更換的維護負擔，大幅減少易損件消耗。

5.4 高兼容性與可擴展性

KOBRA-WX系列與其他KOBRA系列設備在樣品架、治具和備品方面保持通用，方便用戶升級設備或復用現有資源。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和應用場景的需求。

5.5 優秀的可操作性

配套KOBRA-DSP/X專業分析軟件支持自動測量、多點面內分布測量、數據圖譜可視化、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，實現數據的直觀分析和追溯管理。

6 測量項目與數據輸出

KOBRA-WX100可輸出以下三類核心測量結果：

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。該參數直接反映材料的雙折射特性，是評價光學薄膜性能最核心的指標之一。

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量的重要依據。

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膜的制程監控具有重要意義。

數據輸出格式支持CSV、Excel和JPG圖像，便于進行批量化數據分析和報告生成。軟件可與MES系統對接，實現“邊測邊判"的自動化檢測流程。

7 主要應用領域

7.1 光學功能薄膜的研發與品質管理

KOBRA-WX100廣泛應用于偏光板、相位差膜（補償膜）、COP膜、PI膜等光學薄膜的研發與品質管理。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性能，優化拉伸和涂布工藝參數，監控全幅均勻性，實現產線級批量質檢。

7.2 液晶顯示面板行業

在LCD和OLED顯示面板制造中，該設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。

7.3 高分子材料與包裝行業

在拉伸薄膜（PET、PC、PMMA等）的研發與生產中，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性能和光學性能之間的關系。包裝薄膜的熱收縮性能和撕裂方向評價也可借助該設備完成。

7.4 來料檢驗與出貨全尺寸質檢

光學膜供應商可利用KOBRA-WX100對出貨品進行快速全尺寸抽檢，確保產品質量的一致性和可靠性。通過幅寬方向Profile掃描，可及時發現制程波動導致的均勻性問題，減少客戶投訴和批次退貨風險。

8 維護與保養要點

KOBRA-WX100的設計充分考慮了工業現場的長期運行需求，日常維護工作主要集中在以下幾個方面：

1. 光源維護：LED固態光源壽命超過20,000小時，理論上無需更換。但建議定期檢查光源強度，如發現衰減異常及時檢修。

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

3. 校準驗證：建議使用標準相位差板定期進行校準驗證，確保測量結果的準確性和可追溯性。

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

9 結論

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薄膜需求而開發的專業光學檢測儀器。其基于平行尼科爾旋轉法的測量原理，實現了從超低到超高相位差的全量程、高精度、非接觸式檢測，同時具備優異的操作便利性和長期運行穩定性。

在光學薄膜制造、液晶顯示行業及高分子材料研究等領域，該設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控提供了可靠的技術手段。隨著顯示技術向Micro-LED、柔性屏方向發展，以及新材料研發對光學檢測精度要求的不斷提高，KOBRA-WX100將在光學材料的質量控制和工程研發中發揮更加重要的作用。

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