专利名称：相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置和方法
技术领域：
本发明涉及偏振測量，特别是一种用于双折射器件的相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置和測量方法。
背景技术：
双折射器件在浸液光 刻偏振照明、移相干涉测量和生物光学等领域中具有广泛的应用，双折射器件的两个重要光学參数是相位延迟量和快轴方位角。在浸液光刻偏振照明和移相干涉测量中使用双折射器件的过程中要求知道双折射器件的相位延迟量分布和快轴方位角分布，故需要精密地測量双折射器件的相位延迟量分布和快轴方位角分布。在先技术[I](參见宋菲君，范玲，俞蕾等.ー种光学相位延迟精密測量方法及其系统.专利申请号200710178950. 3)描述了ー种相位延迟量精密测量方法及其系统。在测量光路中加入光调制器，对检测光进行调制产生调制偏振光，測量信号进行滤波处理后将直流零点的測量转换为交流零点的測量，准确判断极值点的位置，实现对相位延迟量的测量。但是该方法不能测量样品的快轴方位角，且该方法使用调制偏振光判断极值点，不能实现相位延迟量分布的实时测量。在先技术[2](參见Tsung-Chih Yu, Hsu Shan, et al. Full-field andiul1-range sequential measurement of the slow axis angle ana phase retardationof linear birefringent materials. Applied Optics, 48，4568-4576，2009)描述了一种使用外差干渉法和三步时域移相法測量双折射材料的相位延迟量分布和快轴方位角分布的方法，但是这种方法是在改变部分光路的前后分步测量相位延迟量分布和快轴方位角分布，且这种方法采用时域移相技术，故不能实时测量相位延迟量分布和快轴方位角分布。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种用于双折射器件的实时测量相位延迟量分布和快轴方位角分布的装置和方法，测量结果不受光源光强波动的影响且具有较大的測量范围。本发明的技术解决方案—种相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置，其特点在于该装置由准直光源、圆起偏器、衍射分束元件、四分之一波片、检偏器阵列、CCD图像传感器和具有图像采集卡的计算机组成，上述元部件的位置关系如下所述的检偏器阵列由四个透振方向依次相差45°的第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、第四检偏器组成，与所述的四分之一波片处于同一个子光路中的检偏器为第一检偏器，所述的第一检偏器的透振方向与所述的四分之一波片的快轴方向分别成45°或135°，沿所述的准直光源的光束前进方向上，依次是所述的圆起偏器和衍射分束元件，该衍射分束元件将入射光束分成四个子光束，其中ー个子光束经四分之一波片后被第一检偏器进行检偏，另外三个子光束直接被第二检偏器、第三检偏器和第四检偏器检偏，所述的图像传感器的输出端与所述的计算机的输入端连接，在所述的圆起偏器和偏振分束元件之间设置待测样品的插ロ。所述的准直光源为He-Ne激光器。所述的圆起偏器为利用方解石晶体和石英晶体制作成的消光比优于10_3的圆起偏器。
所述的衍射分束元件为正交振幅光栅、正交相位光栅或达曼光栅，利用衍射效应将入射光进行分束并获得四个光强度相等子光束。所述的四分之一波片为零级石英标准四分之一波片。所述的第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器和第四检偏器均为消光比优于10_3的偏振片。利用上述測量装置进行相位延迟量分布和快轴方位角分布的測量方法，其特点在于该方法包括下列步骤①将待测样品插入所述的圆起偏器和衍射分束元件之间的插ロ并调整光路，使光束垂直通过待测样品；②启动所述的准直光源、CCD图像传感器和计算机，所述的CCD图像传感器接收四个子光束产生的图像并输入所述的计算机，该计算机将图像分割为四个子图像，并将四个子图像以同样的方法像素化并建立相同的坐标系，将待测样品的矩阵化并建立与子图像相同的坐标系，待测样品上一个矩阵単元(x，y)在四个子图像中对应的光强分别为I1UyhI2(X，y)、I3(x，y)和I4(x，y)，对所述的图像进行数据处理，输出待测样品的相位延迟量分布和快轴方位角分布；所述的计算机对所述的图像进行数据处理的具体方法如下；当所述的测量装置的第一检偏器的透振方向与所述的四分之一波片的快轴方向分别成45°时，所述的计算机进行下列步骤③④的处理③所述的计算机对所述的待测样品上的矩阵单元(x，y)对应的光强I1UjhI2 (χ, y)、I3 (χ, y)和I4 (x, y)进行下列运算并定义V1 (X，V)= sin(J(x, y)) sin(26>(x, V))= ム、、，；--—I
ろ(JT,ァ)+ /3(ろァ)V,(.v, v)=sin(￡)(x, y))cos(20(x, v)) = , ^ /---I
'' Z1 (も)O+ J3 (Xv)V； (-V, y)= cos(0'(x, V)) = I - — -- ( · ;~-
Ix{x,y) + I3{x,y)其中δ (χ, y)为矩阵単元(X，y)的相位延迟量；θ (χ, y)为矩阵単元(x，y)的快轴方位角，经过下列计算得到待测样品上该矩阵単元(X，y)的相位延迟量δ (χ，y)在O 180°范围内的值当^Jvi2(x, y) + F22 (χ, V) < F3 (χ,タ)时，则みΛ*，y) = arcsin((x, v) + V22 (x, y))，当φ]2(χ,) + V21 (χ,y) > |r3(x，y)|吋，则 δ (χ, y) =arccos (V3 (x, y))，当ψ'2 (χ, ν) + F/(. , y) < -V3(χ,タ)时，贝咕(χ, y) = 180。一arcsin(^ぐ(x, y) + V11 (χ, ν))，
经过下列计算得到待测样品上该矩阵単元(X，y)的快轴方位角θ (χ, y)在-90° 90°范围内的值；当V2 (χ, y) < OfeV1 (x, y)≤ O 时，则
权利要求
1.一种相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置，其特征在于该装置由准直光源(I)、圆起偏器(2)、衍射分束元件(4)、四分之一波片(5)、检偏器阵列(6) XCD图像传感器(7)和具有图像采集卡的计算机(8)组成，上述元部件的位置关系如下所述的检偏器阵列(6)由四个透振方向依次相差45°的第一检偏器(61)、第二检偏器 (62)、第三检偏器(63)、第四检偏器(64)组成,与所述的四分之一波片(5)处于同一个子光路中的检偏器为第一检偏器(61),所述的第一检偏器(61)的透振方向与所述的四分之一波片(5)的快轴方向分别成45°或135°，沿所述的准直光源(I)的光束前进方向上，依次是所述的圆起偏器(2)和衍射分束元件(4)，该衍射分束元件(4)将入射光束分成四个子光束，其中一个子光束经四分之一波片(5)后被第一检偏器(61)进行检偏,另外三个子光束直接被第二检偏器(62)、第三检偏器￠3)和第四检偏器￠4)检偏，所述的图像传感器(7) 的输出端与所述的计算机(8)的输入端连接，在所述的圆起偏器(2)和偏振分束元件(4)之间设置待测样品(3)的插口。
2.根据权利要求I所述的相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置，其特征在于准直光源(I)为He-Ne激光器。
3.根据权利要求I所述的相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置，其特征在于所述的圆起偏器(2)为利用方解石晶体和石英晶体制作成的消光比优于10_3的圆起偏器。
4.根据权利要求I所述的相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置，其特征在于所述的衍射分束元件(4)为正交振幅光栅、正交相位光栅或达曼光栅，利用衍射效应将入射光进行分束并获得四个光强度相等子光束。·
5.根据权利要求I所述的相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置，其特征在于所述的标准四分之一波片(5)为零级石英波片。
6.根据权利要求I所述的相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置，其特征在于所述的第一检偏器(61)、第二检偏器(62)、第三检偏器(63)和第四检偏器(64)均为消光比优于1(Γ3的偏振片。
7.利用权利要求I所述的测量装置进行相位延迟量分布和快轴方位角分布的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤①将待测样品(3)插入所述的圆起偏器(2)和衍射分束元件(4)之间的插口并调整光路，使光束垂直通过待测样品(3)；②启动所述的准直光源(1)、(XD图像传感器(7)和计算机(8)，所述的CXD图像传感器(7)接收四个子光束产生的图像并输入所述的计算机(8)，该计算机(8)将图像分割为四个子图像，并将四个子图像以同样的方法像素化并建立相同的坐标系，将待测样品(3)的矩阵化并建立与子图像相同的坐标系，待测样品(3)上一个矩阵单元(x，y)在四个子图像中对应的光强分别为I1 (χ，y)>I2(x, y)、I3(x，y)和I4 (x，y)，对所述的图像进行数据处理，输出待测样品(3)的相位延迟量分布和快轴方位角分布。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于所述的计算机(8)对所述的图像进行数据处理的具体方法如下；当所述的测量装置的第一检偏器￠1)的透振方向与所述的四分之一波片(5)的快轴方向分别成45°时，所述的计算机(8)进行步骤③④的处理③所述的计算机(8)对所述的待测样品(3)上的矩阵单元(χ,y)对应的光强I1U, y)、 I2 (χ, y)、I3 (χ, y)和I4 (x, y)进行下列运算并定义
全文摘要
一种用于双折射器件的相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置和方法，该装置由准直光源、圆起偏器、衍射分束元件、四分之一波片、检偏器阵列、CCD图像传感器和具有图像采集卡的计算机组成，本发明可以实时测量双折射器件的相位延迟量分布和快轴方位角分布，测量结果不受光源光强波动的影响，而且具有较大的测量范围。
文档编号G01M11/02GK102706539SQ20121019943
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月15日 优先权日2012年6月15日
发明者刘龙海, 曾爱军, 朱玲琳, 黄惠杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所