的測(cè)量裝置可得到測(cè)量光 路。
[0033] 在本實(shí)施例中，所述的晶體斜劈為劈角為Θ的雙折射晶體。由于晶體的雙折射特 性，所通過(guò)的〇光和e光的相差與晶體厚度有關(guān)。斜劈狀的晶體將在光斑內(nèi)引入沿劈角方 向的線性相差分布，經(jīng)檢偏器形成等間距干涉條紋。對(duì)所述條紋進(jìn)行定位可以測(cè)量由樣品 光學(xué)性質(zhì)引入的相偏振態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)橢偏測(cè)量。
[0034] 在本實(shí)施例中，所述激光光束經(jīng)過(guò)所述聚焦柱透鏡后以一定范圍的入射角入射至 樣品上，其中一定范圍的入射角由選取的聚焦柱透鏡不同而不同，但是所述光束經(jīng)聚焦柱 透鏡1再由樣品2反射后均能入射至準(zhǔn)直柱透鏡3內(nèi)。
[0035] 在本實(shí)施例中，通過(guò)單次曝光實(shí)現(xiàn)橢偏測(cè)量光路，結(jié)合所述面陣相機(jī)8提供高時(shí) 間分辨。
[0036] 為了更好的說(shuō)明本實(shí)施例提供的測(cè)量方法，本實(shí)施例選取一偏振激光光源，所述 光源為808nm的LD激光光源，激光光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束到IOmm左右，并調(diào)節(jié)入射光的偏振態(tài)與 與光學(xué)平臺(tái)水平方向呈45°。使用激聚焦柱透鏡1使光斑在豎直面內(nèi)聚焦，并在樣品2的 表面上形成一定范圍的多角度入射，并且各個(gè)入射光在水平和垂直兩個(gè)方向上的振幅比為 1:1。經(jīng)過(guò)樣品2調(diào)制后形成的反射光斑的橢偏參數(shù)△和Ψ發(fā)生變化。反射光斑經(jīng)過(guò)準(zhǔn) 直柱透鏡3后恢復(fù)為圓形光斑，一部分圓形光斑經(jīng)過(guò)808nm波段的1/4波片4,其快軸與 水平方向呈45°，其中1/4波片為1/4波片零級(jí)石英。所述1/4波片的作用是在偏振光的 豎直和水平方向的分量之間引入90°相位差，將樣品引起的振幅比對(duì)應(yīng)角度的變化轉(zhuǎn)換成 相差變化。經(jīng)過(guò)1/4波片的一部分圓形光斑與另外一部分圓形光斑未經(jīng)過(guò)1/4波片4的光 斑一起入射到晶體斜劈5。所述晶體斜劈5的劈角為Γ，外觀尺寸為20 X 20 X 2mm，結(jié)構(gòu) 示意圖如圖2。其中的箭頭表示光軸方向，與X，y坐標(biāo)軸重合，即分別位于水平和豎直方向 上。通光沿著z向，劈角沿著x(水平）方向。光束通過(guò)晶體斜劈5后在光斑的不同水平位 置上引入不同的光程差，最后通過(guò)第二片光軸水平放置的偏振片6到達(dá)成像屏7形成多組 干涉條紋圖樣。干涉條紋的水平分布給單一入射角對(duì)應(yīng)的橢偏參數(shù)A和Ψ信息，而多角 度入射的差別體現(xiàn)在豎直方向條紋分布的差別上。圖3給出了模擬的干涉光斑，由圖3可 以看出圖像可以分成左右兩部分，分別對(duì)應(yīng)了光路經(jīng)過(guò)1/4波片和不經(jīng)過(guò)1/4波片的干涉 條紋。其左側(cè)的干涉條紋包含了相位差變化的信息，而右側(cè)的干涉條紋給出了對(duì)應(yīng)振幅比 變化的信息?？梢?jiàn)單一入射波長(zhǎng)的橢偏數(shù)據(jù)可以通過(guò)X方向的光強(qiáng)獲得，而多角度入射產(chǎn) 生的和變化的帶來(lái)的光強(qiáng)分布差異體現(xiàn)在光斑的豎直y方向。用面陣相機(jī)8采集得到的干 涉條紋，并計(jì)算機(jī)9中的Labview軟件平臺(tái)下采用波峰檢測(cè)、中值濾波、傅里葉變換以及數(shù) 組操作模塊進(jìn)行濾波、消除背景處理，并且尋找波峰波谷以及橢偏參數(shù)反演的計(jì)算。
[0037] 在本實(shí)施例中，可以假設(shè)經(jīng)過(guò)樣品后反射光斑的瓊斯矩陣為
> 利 用瓊斯矩陣對(duì)光束的傳播進(jìn)行推導(dǎo)，可得到未經(jīng)過(guò)1/4波片的光路產(chǎn)生的干涉條紋對(duì)應(yīng)的 光強(qiáng)為山(X，Δ ) = l/2+l/2sin2 Φ COS ( Δ + γ (X))，其中
為劈角為Θ的晶體斜劈引入的相位差，^與分別為0光和e光的折射率差，X為晶體 斜劈的橫向位置坐標(biāo)。由光強(qiáng)公式可以得出^只與晶體斜劈的橫向位置坐標(biāo)x和相位差 A有關(guān)。相差的大小表現(xiàn)為條紋位置的不同，因而可以通過(guò)對(duì)條紋的定位來(lái)測(cè)量△，得到
δ X表示透過(guò)測(cè)試樣品的光束產(chǎn)生地條紋與標(biāo)準(zhǔn)偏 振光產(chǎn)生的條紋位置的變化量，1λ表示條紋間距。較佳的，Sx可通過(guò)圖3中曲線的波峰 或者波谷位置變化來(lái)進(jìn)行計(jì)算得出。因此待測(cè)光的相位差可通過(guò)條紋的移動(dòng)量與條紋間距 的比值來(lái)獲得。由此可見(jiàn)，測(cè)量的精度由條紋位置測(cè)量的精度與條紋間距所對(duì)應(yīng)的相機(jī)像 素來(lái)決定。例如采用Γ的石英晶體劈，干涉形成的條紋間距約為5mm。若采用1000像素 的相機(jī)采集該條紋，其波谷的穩(wěn)定性測(cè)試精度可以達(dá)到〇. 2個(gè)像素，因而橢偏參數(shù)測(cè)量的 相對(duì)精度可達(dá)到2 X 10 4的量級(jí)。
[0038] 在本實(shí)施例中，對(duì)于通過(guò)1/4波片的光路產(chǎn)生的干涉條紋對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)為： Ι2( Φ，A，X) = l/2+sin2 Φ cos Δ cos γ (x)_2cos2 Φ sin γ (X)，由光強(qiáng)公式可以得出 I2同時(shí) 與兩個(gè)橢偏參量△和Ψ和位置坐標(biāo)X有關(guān)。在測(cè)量出相差后，將12轉(zhuǎn)換成與I 1類(lèi)似的形 式，從而也可以通過(guò)條紋的定位來(lái)獲得振幅比參數(shù)。
[0039] 綜上所述，通過(guò)雙折射晶體斜劈的偏光干涉可以將經(jīng)過(guò)樣品的偏振光的轉(zhuǎn)換成沿 著一維方向的干涉條紋。單一入射角度的橢偏數(shù)據(jù)可以通過(guò)X方向的光強(qiáng)分析獲得，而不 同入射角的橢偏數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)分布在y方向上，通過(guò)對(duì)干涉條紋位置的測(cè)量可以獲得多 入射角偏振光的橢偏參數(shù)，進(jìn)而可以計(jì)算出樣品的光學(xué)參數(shù)。該方法橢偏參數(shù)的測(cè)量與激 光的光強(qiáng)無(wú)關(guān)，可以有效排除光強(qiáng)波動(dòng)帶來(lái)的影響，提高測(cè)量的精度和可靠性。而測(cè)量的時(shí) 間分辨率由相機(jī)的采樣率來(lái)決定。采用IkHz以上的高速面陣相機(jī)，則對(duì)應(yīng)多組入射角的橢 偏參數(shù)測(cè)量的時(shí)間分辨率可達(dá)到_秒量級(jí)。
[0040] 本發(fā)明采用的基于雙折射晶體斜劈的偏光干涉型多入射角度單發(fā)橢偏測(cè)量方法 通過(guò)晶體斜劈引入的偏光干涉將待測(cè)光偏振態(tài)的變化轉(zhuǎn)換成一維的亮暗條紋移動(dòng)，進(jìn)行橢 偏參數(shù)的測(cè)量；而在通過(guò)設(shè)計(jì)光路在另外一個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)多角度的調(diào)制，并采用面陣相機(jī) 采用單次曝光的方式進(jìn)行多組橢偏參數(shù)的同時(shí)測(cè)量。該方法測(cè)試過(guò)程中無(wú)機(jī)械旋轉(zhuǎn)或光學(xué) 器件調(diào)制器件即可實(shí)現(xiàn)多角度或者多波長(zhǎng)的橢偏測(cè)量，可以大幅測(cè)量速度；測(cè)量結(jié)果與光 強(qiáng)波動(dòng)無(wú)關(guān)，對(duì)橢偏參數(shù)測(cè)量的精度來(lái)自于條紋定位的精度和相機(jī)的像素的比值，可以減 小系統(tǒng)測(cè)量誤差，提高測(cè)量的穩(wěn)定性。由于條紋定位算法簡(jiǎn)單，該方法的時(shí)間分辨主要由相 機(jī)采集和反演算法決定。目前商業(yè)化的面陣工業(yè)相機(jī)的幀頻可高達(dá)幾百fps，時(shí)間分辨已 經(jīng)可以達(dá)到毫秒量級(jí)，采用偏光干涉的方案可將橢偏測(cè)量的速度提高數(shù)十倍。隨著近年工 業(yè)相機(jī)領(lǐng)域的尚速發(fā)展，該速度還將進(jìn)一步大幅提尚。由于偏振是光的基本特性，任何物 理在反射和發(fā)射電磁輻射的過(guò)程中都會(huì)表現(xiàn)出由自身特性和光學(xué)基本定律所決定的偏振 特性，隨著橢偏測(cè)量時(shí)間分辨的提高，有望將快速橢偏儀應(yīng)用于工業(yè)上的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)物 理、生物和化學(xué)等微觀領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)過(guò)程研究中。
[0041] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專(zhuān)利范圍所做的均等變化與 修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多角度入射單發(fā)橢偏測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟Sl :提供激光束聚焦柱透鏡、樣品、準(zhǔn)直柱透鏡、1/4波片、晶體斜劈、檢偏器、成像 屏、面陣相機(jī)以及計(jì)算機(jī)； 步驟S2 :選取一合適波長(zhǎng)的偏振激光光源進(jìn)行擴(kuò)束，激光光束經(jīng)過(guò)聚焦柱透鏡后形成 不同入射角度入射至樣品上，所述激光光束在樣品表面聚焦形成線狀光斑反射后形成反射 光斑，此時(shí)不同入射角度的反射光斑的橢偏參數(shù)Φ和△不同； 步驟S3 :所述準(zhǔn)直柱透鏡放置在所述樣品的反射方向，所述反射光斑經(jīng)入射至所述準(zhǔn) 直柱透鏡后形成圓形光斑，所述圓形光斑的一部分經(jīng)1/4波片入射至所述晶體斜劈，所述 圓形光斑的另一部分直接入射到所述晶體斜劈；所有圓形光斑由所述晶體斜劈射出后經(jīng)所 述檢偏器在所述成像屏上形成多組分別對(duì)應(yīng)不同入射角的橢偏參數(shù)Φ和A的干涉條紋。 步驟S4 :采用面陣相機(jī)對(duì)所述的干涉條紋同時(shí)進(jìn)行采集，得到干涉條紋的光強(qiáng)數(shù)據(jù)。 步驟S5 :采用計(jì)算機(jī)中的處理系統(tǒng)對(duì)所述的光強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和除背景處理，得到不 同入射光對(duì)應(yīng)的波峰波谷位置，再與標(biāo)準(zhǔn)偏振光產(chǎn)生地波峰波谷位置進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算出樣 品的橢偏參數(shù)Φ和Δ。 步驟S6 :結(jié)合橢偏方程，由所述步驟S5中的橢偏參數(shù)計(jì)算出樣品的光學(xué)參數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多角度入射單發(fā)橢偏測(cè)量方法，其特征在于：所述的晶 體斜劈為劈角為Θ的雙折射晶體。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多角度入射單發(fā)橢偏測(cè)量方法，其特征在于：所述步 驟S4中得到干涉條紋的光強(qiáng)數(shù)據(jù)的具體方法為：經(jīng)過(guò)樣品反射后形成反射光斑的瓊斯 矩陣為，利用瓊斯矩陣計(jì)算得到未經(jīng)過(guò)1/4波片形成的干涉條紋對(duì)應(yīng)的 光強(qiáng)為=I1U, A) = l/2+l/2sin2itC〇S(A + Y (X))，經(jīng)過(guò)1/4波片的光路產(chǎn)生的干涉條 紋對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)為：Ι2( Φ，Δ，X) = l/2+sin2 Φ cos Δ cos γ (x)_2cos2 Φ sin γ (X)，其中為由劈角為Θ的晶體斜劈引入的相位差，^與ι分別為 0光和e光的折射率差，X為晶體斜劈的橫向位置坐標(biāo)，Φ和△為橢偏參數(shù)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種多角度入射單發(fā)橢偏測(cè)量方法，首先提供激光束聚焦柱透鏡、樣品、準(zhǔn)直柱透鏡、1/4波片、晶體斜劈、檢偏器、成像屏、面陣相機(jī)以及計(jì)算機(jī)，再通過(guò)雙折射晶體斜劈的偏光干涉將光偏振態(tài)的變化轉(zhuǎn)換成一維條紋光斑的移動(dòng)，其次采取合理光路設(shè)計(jì)將多角度入射對(duì)應(yīng)的條紋分布在另外一個(gè)維度上，最后利用圖像技術(shù)對(duì)光斑內(nèi)的多組條紋進(jìn)行定位和處理，在單次測(cè)量中即可獲得多組偏振態(tài)信息。本發(fā)明的測(cè)試方法無(wú)機(jī)械旋轉(zhuǎn)或光學(xué)調(diào)制器件，測(cè)量速度只受限于相機(jī)采集速度，而且測(cè)量結(jié)果與光強(qiáng)波動(dòng)無(wú)關(guān)，可以極大減小系統(tǒng)的測(cè)量誤差，提高測(cè)量的穩(wěn)定性。
【IPC分類(lèi)】G01N21/21
【公開(kāi)號(hào)】CN105181604
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510235765
【發(fā)明人】馬靖, 許燦華, 裴麗燕, 邱鑫茂, 施洋
【申請(qǐng)人】福州大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月23日
【申請(qǐng)日】2015年5月11日