CN102099661B - 布置方法、光学设备和一次性扫描系统和方法 - Google Patents

Abstract

提高用于测量光学样本的双折射的系统的通量包括用于引导多个光束通过该系统的光弹性调制器构件的技术，以便连同被扩展以适合多个光束的检测机构一起地，横跨样本的、迄今的行扫描(经由单一光束)被显著地放大，从而覆盖样本区域的“条带”的几行被本发明的系统所扫描。

Description

布置方法、光学设备和一次性扫描系统和方法

技术领域

该申请涉及在光学材料例如聚合体膜中的、精确的高通量双折射测量(high throughput measurement of birefringence)。

背景技术

术语“双折射”意味着光的不同线偏振以不同的速度行进通过光透性光学材料。延迟代表沿着穿越样本的光束的路径作用的双折射的累积效果。如果入射光束是线偏振的，则偏振光的两个正交分量将带有相差地离开样本，这称为延迟。延迟的基本单位是长度例如纳米（nm）。然而，经常方便的是以与延迟（nm）除以光波长（nm）成比例的相角（波、弧度或者度）为单位表达延迟。

经常地，术语“双折射”被与术语“延迟”可互换地使用并且带有相同的含义。因此，除非另外指出，也在下面可互换地使用了那些术语。

在这里通过引用并入的美国专利No.7，385，696和6，473，179公开了用于在各种光学材料中的双折射的精确测量的系统。当被如此测量时，光学材料经常被称作“样本”。这种系统的一个重要构件包括形式为光弹调制器(photoelastic modulator)或者PEM的共振偏振调制器件。

在一种方案中，如在美国专利No.6，473，179中示意和描述地，用于精确地测量光学材料的低水平双折射性质的系统包含用于调制偏振光的光束的单一PEM，该偏振光的光束然后被引导通过样本。从样本传播的光束被分离成两个部分，其中一个部分具有与另一光束部分的偏振方向不同的偏振方向。然后作为截然不同的通道处理这些分离的光束部分。与每一个通道相关联的检测机构检测与光束的两个部分中的每一个相应的时变光强度(time-varying light intensity)。信息得以组合，从而除了别的以外，计算样本诱发的延迟的精确测量值。

另一方案（如在美国专利No.7，385，696公开的一个实施例中例示地）使用包括两个PEM以测量线性双折射的光学设备。这个设备将在此后被称作双PEM设备。这个实施例的这个系统能够确定光学材料例如聚合体膜以及单晶材料例如石英、方解石、云母和蓝宝石的双折射性质。所关注的双折射可以是材料固有的或者由外部作用力诱发。

双PEM设备通常包括三个模块。上部模块包括光源、以45度定向的偏振器，和以0度定向的PEM。下部模块包括被设为与第一PEM的调制频率不同的调制频率的第二PEM。第二PEM以45度定向。下部模块还包括处于0度的分析器和检测器。中间模块包括样本支撑件，样本支撑件能够是如在下面更加详细描述地用于在上部和下部模块之间的位置中支撑样本例如聚合体膜等以允许来自设备源的光束通过样本的各种机构中的任何一种。样本支撑件可以具有安装到受计算机控制的、可移动X-Y台的类型，以允许样本被横跨样本区域的光束扫描。

当单一光束被引导通过PEM中的中央光学孔隙时，或者样本或者光学设备移动，从而样本被光束扫描，以使得能够横跨待检测的样本的区域地进行多个非连续的测量，并且以图形方式显示横跨样本区域的双折射性质的变化。

发明内容

本发明涉及显著地改进系统例如刚刚描述的那些的通量以精确地测量光学材料的双折射性质。在这方面，提供了用于引导多于一个的光束通过PEM的技术，从而连同用于适合多个光束的扩展检测机构一起地，迄今横跨样本的行的扫描（经由单一光束）得以显著地放大，从而覆盖样本区域的“条带（swath）”的几行被本发明的系统扫描。通过最小化横跨所关注样本的全部区域在单一光束系统中移动构件所要求的、耗时的运动控制量，这种方案大大地增强了系统的通量。

在一个实施例中，例如当涉及特别大的区域的样本时，用于提供本发明的多光束系统的构件可以自身得以增大或者集束以由此将组合构件的扫描条带增加为任何所期宽度，包括样本的全部宽度，从而样本可以一次性地得到扫描。

通过PEM（因此，通过样本）的多个光束不需要受限于（沿着垂直于扫描方向的方向）横跨样本延伸的单行。实际上，可以采用两行或者更多行的光束从而样本能够以比与单行相应的单步大的步长或者增量推进。例如，如果采用三行光束，则样本可以以与那三行的总和相应的步长距离或者增量从一个位置（一旦为那个位置收集到延迟数据）推进。假设如与一行相比在三行光束中收集数据所要求的时间差是可忽略的，则将会理解，如与单行系统相比，使用采用三行光束的系统的扫描将几乎使得扫描速度增至三倍。

在研究本说明书的以下部分和附图时，本发明的其它优点和特征将变得清楚。

附图简要说明

图1是可以在本发明的优选实施例中采用的杆形、单一转换器(transducer)PEM（“杆式”PEM）的图。

图2是具有两个转换器并且也可以在本发明的优选实施例中采用的对称成形的PEM（“对称式”PEM）的图。

图3是示出沿着杆式PEM的长度的、作为标度从0.0到1.0的延迟效率而被定量化的峰值延迟分布的图。

图4是示出沿着杆式PEM的宽度的、作为标度从0.0到1.0的延迟效率而被定量化的峰值延迟分布的图。

图5是示出在对称式PEM中存在的归一化延迟效率(normalizedretardation efficiency)的图。

图6是带有联结的转换器的杆式PEM的顶视图，示意其中两个光束的单行透过PEM的光学元件的实施例。

图7是带有联结的转换器的杆式PEM的顶视图，示意其中两个光束的两行透过PEM的光学元件的实施例。

图8是带有联结的转换器的杆式PEM的顶视图，示意其中六个光束透过PEM的光学元件的实施例。

图9是对称式PEM的光学元件的顶视图，示意其中两个光束的两行透过PEM的光学元件的实施例。

图10是对称式PEM的光学元件的顶视图，示意其中八个光束透过PEM的光学元件的实施例。

图11是特征在于采用单一PEM的光学设备的系统的一个实施例的图，三个光束被引导通过该PEM以增加在测量样本的双折射时的通量。

图12是示出系统例如图11的系统如何可以被集束以大大地增加被扫描的样本区域的条带、因此增加通量的图。

图13是特征在于双PEM光学设备的系统的另一实施例的图，四个光束被引导通过该PEM以增加在测量样本的双折射时的通量。

图14a-14j是示意用于为在利用本发明的系统中采用的多个光束提供光源的实施例的图。

图15是用于在采用本发明的多光束方案的系统中使用的检测器组件的图。

具体实施方式

虽然在这里通过引用并入的美国专利详细地描述了由PEM构件执行的功能，但是在双折射测量系统中的PEM的总体操作的简要回顾将有助于本发明的理解。

图1描绘杆形、单一转换器PEM（“杆式”PEM）20的图。光学元件22能够例如是熔融石英(fused silica)、氟化钙或者其它材料。结晶石英压电转换器24被结合到光学元件22的一端。在一些实施例中，可以将两个转换器结合到光学元件，每一个被结合到该元件的每一个端部。光学元件和转换器具有如此尺寸，即，使得当被转换器驱动时，在共振下在PEM中产生了超声驻波。杆式PEM20被安装到外壳并且沿着X方向（在图1中从左到右）自由振动。

转换器被控制器（未示出）驱动以优选地在50kHz的额定频率下将振荡双折射赋予光学元件22。PEM控制器可被调节以允许操作员改变驱动频率以及由PEM引入的延迟的幅度。

图2示出对称式PEM26，其光学元件28采用带有斜切角部30的基本正方形形状（顶视图）。通常，对称式PEM26经由在外壳和斜切角部之间延伸的安装件而被安装到外壳。压电转换器32被结合到光学元件26的相反侧。

对称式PEM26通常提供光学元件的物理形状和振动模式这两者的、非常良好的表现。与杆式PEM20相比，对称PEM26提供更高的延迟调制范围、更大的光学孔隙和横跨它的区域的、更加对称的延迟分布。

回到杆式PEM20的讨论（图1），在简化模型（延伸杆振动模式）中，存在在杆形PEM中形成的一维声学驻波。因此在调制期间产生的位移、应变和应力以不同相位按照正弦函数的形式全部分布于光学元件的长度上。沿着PEM的光学元件的长度的峰值延迟分布将遵循正弦函数（0到π）的形式，其最大值在光学元件的中心处。

考虑例如熔融石英50KHz PEM，图3示意在于该图中绘制的实验和理论数据之间仅仅存在微小的差异，其中最大差异仅为0.004。在实验和理论数据之间的这个非常小的差异示意PEM多接近于共振杆的简化模型地操作。

沿着光学元件的宽度（长度>宽度>厚度），PEM将理想地具有均一延迟效率。然而，在图4中示出沿着该PEM（图3）的光学元件的宽度的测得的PEM延迟效率。延迟效率从PEM的光学元件的中心到边缘下降大约5%。

在图5中绘制了典型的对称式PEM（如在图2中图示的HindsInstruments，PEM-90型号II/FS42；光学材料：熔融石英；频率：42KHz）的峰值延迟。图5以纳米“nm”为单位显示延迟并且延迟上限被舍入成整数。归一化延迟效率的数值是无量纲的并且它们具有范围0到1。如看到地，峰值延迟分布是高度对称的，在光学元件的中央（最黑的）部分中具有接近圆的对称性。检查在图5中绘制的数据的中间行给出对于正弦函数的良好拟合。

鉴于前述，将会理解，PEM在它们的孔隙之上并不具有均一延迟调制。PEM的延迟调制的数值对于准确地测量偏振性质例如双折射而言是关键性的。因此，本发明认识到，在其中通过PEM的多个光束是理想的以增加经历双折射性质测量的样本的通量的应用中，在PEM的孔隙之上的非均一延迟调制应该得以解决。

根据本发明，两个或者更多光束以解决了在PEM的孔隙之上的非均一延迟调制的问题的方式，透过PEM的光学元件。在这方面，PEM的延迟分布首先横跨光学孔隙地得以表征。这提供了如下的数据，即，该数据使得能够在光学元件上选择具有基本相等的延迟点（即，在此处延迟调制水平是已知的并且在所有的点处是基本相同的位置或者点，但是并不是必要地是例如将在光学元件的中心发生的最大水平）的多个位置。在本发明的本实施例中，多个光束中的每一个被引导通过这种预先表征的相等延迟点。

图6-8示出利用多个光束的杆式PEM的三个实例，每一个光束被透过各个相等延迟点。在那些图中，图的上矩形部分代表转换器124，并且下矩形代表PEM120的光学元件122。小孔134中的每一个代表通过光学元件（即，通过图面）传播的光束的横截面。

图6示出在具有基本相等的延迟调制的点处沿着Y轴线（在图中从左到右）隔开并且沿着该轴线或者PEM转换器122的宽度定位的两个光束。

图7类似图6但是示意两个光束的两行的一个实例。第一行（Y方向）光束以及第二行沿着光学元件的宽度定位从而光束位于相等延迟点处。类似地，每一行从PEM转换器122的长度的中心沿着X方向（在图7中上下地）偏移以保证延迟点沿着X和Y这两个方向的均一性。

图8描绘其中八个光束透过光学元件并且相对于X和Y方向布置从而在每一个点处的延迟调制数值基本相同的实例。

这里值得注意，通过还增加在样本扫描期间采取的步长尺寸（沿着X方向；在图6–8中是竖直的），在两个或者更多行中的多个光束的布置补充了通过使用多个光束而提供的通量增加，由此增加了扫描速度。这种扫描运动能够由各种机构中的任何一种实现，包括传统的样本台，样本台可以受到控制从而沿着正交（X和Y）轴在平移的意义上以增量方式移动样本。

图9和10描绘了在相等的延迟点处透过对称式PEM126的光学元件128的多个光束的实例（在这些图中未示出转换器）。例如，图9示出透过光学元件128的两个光束136的两行。如果将那些光束的分布与在图5中描绘的延迟分布并置，则将清楚，光束的四个点或者位置沿着图5的单一阴影“圆”坐落，该圆代表用于该PEM的延迟调制的恒定数值。

图10示意图9实施例中的四个光束136如何能够通过沿着恒定延迟数值圆（虚线所示）置放光束而被加倍成八个，该恒定延迟数值圆是通过表征对称式PEM的延迟效率而形成的。

图11是特征在于采用单一PEM220的光学设备的系统236的一个实施例的图，来自光源238的三个光束被引导通过PEM220以增加在测量样本（未示出）的双折射时的通量。将会理解，除多个光束的实现方式之外，其中所示设备基本上匹配在并入的美国专利No.6，473，179（'179专利）中描绘和描述的实施例。图11的实施例示出经过PEM220的三个光束Bl、B2、B3。基本上如在'179专利中描述地，每一个光束此后被分离和分析。具体地，光束被传送通过部分反射镜(partialreflection mirror)240从而部分光束通过反射镜以撞击在检测器组件242上，从而光束的强度信息得以检测以进行进一步的处理。其它光束部分以一定角度被反射镜240反射成光束BlR、B2R、B3R，该角度将那些反射光束引导到第二检测器组件244，从而反射光束的强度信息得以检测，以利用其它光束Bl、B2、B3的检测信息进行进一步的处理，以达到如在'179专利中详细地解释的双折射数值。

系统236的扫描方向是在图11中是X方向。因此，能够易于意识到，如与现有单一光束方案相比，通过将光束数目增至三倍，由系统沿着X方向扫描的区域（即，横跨其扫描光束的样本的宽度或者条带）相应地被增至三倍，因此大大地增加系统通量。在一个实施例中，在光束之间的间隔可以小至20mm或者更小。

图12是示出如在图11中所示的系统236如何可以被集束（被紧邻彼此地安装）以大大地增加被扫描的样本区域的条带“S”因此增加通量的图。可以集束任何数目的系统236_i、236₂…236_n（图12中的水平箭头指向“第n”系统）以因此增大由每一个单独系统提供的多光束条带的益处。

虽然图11和12看起来示意三个光束横跨PEM220的宽度（Y方向，图11）地呈线性地排列，但是将会理解，中央光束将事实上以足以将其置于PEM光学元件上的一点处的量沿着X方向从那里偏移，在所述一点处，延迟调制量匹配其它两个光束，如在以上更加充分描述地。

图13是特征在于双PEM光学设备的系统336的另一实施例的图。这个设备包括两个PEM220A和220B（其中仅仅示意了光学元件）和用于产生四个隔开的光束Bl、B2、B3、B4的光源组件338。该四个光束被引导通过PEM以增加在测量样本的双折射时的通量。将会理解，除多个光束的实现方式之外，所示设备基本上匹配在并入的美国专利No.7，385，696（'696专利）中描绘和描述的实施例。然而，这里值得注意，孔隙尺寸是PEM共振频率的函数，并且在该实施例中（类似'696专利的那些），一个PEM（PEM1）220A的频率不应该匹配另一PEM（PEM2）220B的频率。相应地，在该实施例中，两个PEM220A、220B的频率在不匹配的情况下被选择为是非常接近的，从而多个光束通过的孔隙尺寸是基本相同的，并且从而在两个PEM之间的延迟分布中不存在任何显著的变化。在该实施例中，该两个PEM频率的差异被保持为大约3KHz。

而且，类似在图11和12中描绘的系统，图13系统在光源组件338和检测器组件342方面偏离现有方案的系统。下面描述了适用于本发明的光源和检测器组件。

如在图14a-14c中所示，提供用于透过PEM420的多个光束B的光源的一种方式是组装小LED、激光器或者其它离散光源438（图14中的柱形元件）的阵列。在图14中，光源被示为使光束（竖直线）透过PEM420，孔434描绘在PEM上的、光束通过的点。

图14d-14f示意可以如何布置稍微更大的光源538，使得一些光源处于距样本不同的距离处（即沿着Z方向偏移）以保证在PEM520上的光束位置的适当分辨率（在光束之间的最小间隔）。

图14g-14i示意可以如何利用传统光学构件（光学器件组640）将单一光源638分离和准直以提供多个光束B。

图14j示意可以如何在光源638和各个准直器644之间连接光纤642以提供多个光束B。

在图15中示意了对于现有检测组件（即，在通过引用并入这里的两件美国专利中描绘的那些）的修改。具体地，每一个检测器组件包括多个检测传感器742。检测传感器742具有相当大的有效区域（几毫米的直径）。当有必要时，带有开口的掩模744或者多个掩模能够被置于检测器前面从而容易对准和阻挡不想要的光。另外，采用了大的片偏振器以与这样的多个光源和检测器设备一起地使用。

Claims (20)

1.一种布置被用于测量样本的双折射性质的光束的方法，包括以下步骤：

产生步骤：从光源产生多个隔开的光束；

定位步骤：在所述光源和所述样本之间定位偏振调制器，所述偏振调制器在通过与所述偏振调制器相关联的光学孔隙的光束中赋予延迟水平；

表征步骤：表征横跨所述光学孔隙的所述延迟水平分布，以识别具有由所述偏振调制器赋予的均一延迟水平的位置；和

布置步骤：将所述多个光束布置成通过所述位置，从而从所述偏振调制器向所述样本发出的光束将具有被赋予在其中的、基本均一的延迟。

2.根据权利要求1的方法，其中在双折射测量期间，所述光源和光束的相对运动沿着X方向，并且所述布置步骤包括在至少两行中布置光束，其中所述行被沿着X方向隔开。

3.根据权利要求2的方法，其中所述两行中的一行包括沿着垂直于X方向的Y方向排列的两个光束，并且另一行包括单一光束，所述单一光束沿着Y方向在所述一行的所述两个光束之间。

4.根据权利要求1的方法，其中所述产生步骤包括提供发出单色光的多个离散的光源，每一个光源用于每一个光束。

5.根据权利要求4的方法，包括定向步骤：在距所述样本不同的距离处定向所述离散的光源，以由此减小在从所述光源发出的光束之间的间隔。

6.根据权利要求1的方法，其中所述产生步骤包括：

提供单一光束光源；和

分离并且准直从所述光源发出的所述单一光束。

7.根据权利要求1的方法，其中所述产生步骤包括：

提供光源；和

将多条光纤连接到所述光源。

8.根据权利要求1的方法，其中所述定位步骤包括在所述光源和所述样本之间定位设有第一调制频率的第一光弹性调制器。

9.根据权利要求8的方法，包括以下步骤：

提供第二光弹性调制器从而所述样本在所述第一和第二光弹性调制器之间；

将所述第二光弹性调制器的调制频率设置成不同于所述第一调制频率；和

最小化差异，由此最小化在所述第一和第二光弹性调制器中的延迟水平分布之间的任何差异。

10.根据权利要求9的方法，其中所述第一和第二光弹性调制器的调制频率的差异被设为3KHz。

11.根据权利要求1的方法，其中所述表征步骤包括识别具有由所述偏振调制器赋予的均一延迟水平的位置，其中那些得以识别的水平小于能够由所述偏振调制器赋予的最大延迟水平。

12.一种用于高通量双折射测量的光学设备，包括：

光源组件；

进行双折射测量的光学样本；

偏振调制器，位于所述光源组件和所述光学样本之间以在通过所述调制器的光束中赋予延迟，赋予的延迟水平依赖于光束在所述调制器中通过的位置；

其中所述光源组件被配置为引导多个单色光束通过所述调制器中的预定位置，从而在光束中赋予的延迟水平对于所有的光束而言是均一的。

13.根据权利要求12的光学设备，包括用于沿着扫描方向在所述样本和光束之间赋予增量式相对运动的装置，并且其中所述光源组件被配置为在沿着所述扫描方向隔开的两行或者更多行中引导光束。

14.根据权利要求12的光学设备，其中所述光源组件包括多个离散的光源。

15.根据权利要求14的光学设备，其中所述离散的光源被布置成处于距所述偏振调制器不同的距离处，由此使得能够最小化在从每一个光源发出的光束之间的距离。

16.根据权利要求12的光学设备，其中所述偏振调制器是第一光弹性调制器。

17.根据权利要求16的光学设备，包括第二光弹性调制器，所述第二光弹性调制器被定位成使得所述样本在所述第一和第二光弹性调制器之间，所述第一和第二光弹性调制器具有预先表征的位置，在所述位置处，均一的延迟水平被赋予给通过所述位置的光束。

18.一种用于利用单色光束对于具有给定宽度的光学样本进行一次性扫描的系统，包括：

第一光学设备，所述第一光学设备是如在权利要求12中限定的光学设备，和

一个或者多个另外的光学设备，所述一个或者多个另外的光学设备的每一个都是如在权利要求12中限定的光学设备，

其中所述光学设备被布置成使得能够利用单色光束对于具有给定宽度的光学样本进行一次性扫描。

19.一种用于利用单色光束对于具有给定宽度和长度的光学样本进行一次性扫描的方法，以横跨所述样本的区域确定所述样本的双折射特性，所述方法包括以下步骤：

在至少一个光弹性调制器中的一定位置处引导成行光束通过所述调制器，在所述位置处，在所有的光束中由所述调制器在每一个光束中赋予的延迟将是基本均一的；并且然后

通过所述样本并且横跨所述样本的宽度地引导所述成行光束；和

横跨所述样本的长度地以增量式相对于所述光束移动所述样本；和

检测所述光束的强度以横跨所述样本的区域地确定所述样本的双折射特性。

20.根据权利要求19的方法，其中所述引导步骤引导多行光束通过所述光弹性调制器，所述行在沿着所述样本的长度的方向上隔开，并且其中所述增量式移动步骤包括以与所述多行的间隔相应的增量相对于所述光束移动所述样本。

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