CN102706539B - 相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

本发明涉及偏振测量，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测量方法。

技术背景

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参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，故需要精密地测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[1](参见宋菲君，范玲，俞蕾等.一种光学相位延迟精密测量方法及其系统.专利申请号200710178950.3)描述了一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，测量信号进行滤波处理后将直流零点的测量转换为交流零点的测量，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](参见Tsung-Chih Yu,Hsu Shan,et al.Full-field andfull-range sequential measurement of the slow axis angle and phaseretardation of linear birefringent materials.Applied Optics,48,4568-4576,2009)描述了一种使用外差干涉法和三步时域移相法测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测量范围。

本发明的技术解决方案：

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，其中一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口。

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口并调整光路，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单元(x,y)在四个子图像中对应的光强分别为I₁(x,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I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)进行下列运算并定义：

$V_1(x,y)=\sin \left(\mathrm{\δ}(x,y)\right)\sin \left(2\mathrm{\θ}(x,y)\right)=\frac{{2I}_1(x,y)}{I_1(x,y)+I_3(x,y)}-1$

$V_2(x,y)=\sin \left(\mathrm{\δ}(x,y)\right)\cos \left(2\mathrm{\θ}(x,y)\right)=\frac{{2I}_4(x,y)}{I_1(x,y)+I_3(x,y)}-1$

$V_3(x,y)=\cos \left(\mathrm{\δ}(x,y)\right)=1-\frac{{2I}_2(x,y)}{I_1(x,y)+I_3(x,y)}$

其中：δ(x,y)为矩阵单元(x,y)的相位延迟量；θ(x,y)为矩阵单元(x,y)的快轴方位角，

经过下列计算得到待测样品上该矩阵单元(x,y)的相位延迟量δ(x,y)在0～180°范围内的值：

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\≤V_3(x,y)$ 时，则 $\mathrm{\δ}(x,y)=\arcsin \left(\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\right),$

当时，则δ(x,y)＝arccos(V₃(x,y))，

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}<-V_3(x,y)$ 时，则

经过下列计算得到待测样品上该矩阵单元(x,y)的快轴方位角θ(x,y)在-90°～90°范围内的值；

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)≤0时，则

当V₂(x,y)＞0时，则 $\mathrm{\&theta;}(x,y)=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{V_1(x,y)}{V_2(x,y)}\right),$

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)＞0时，则

④依次改变矩阵单元(x,y)的坐标值x、y和相应的光强I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)，重复步骤③的计算，直至所有的矩阵单元(x,y)计算后，即获得了待测样品的相位延迟量分布矩阵和快轴方位角分布矩阵；

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135°时，所述的计算机进行下列步骤⑤⑥的处理：

⑤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I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)进行下列运算并定义：

$V_1(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\sin \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=\frac{{2I}_2(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}-1$

$V_2(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\cos \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=1-\frac{{2I}_3(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}$

$V_3(x,y)=\cos \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)=\frac{{2I}_1(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}-1$

经过下列计算得到待测样品上该矩阵单元(x,y)的相位延迟量δ(x,y)在0～180°范围内的值；

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\&le;V_3(x,y)$ 时， $\mathrm{\&delta;}(x,y)=\arcsin \left(\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\right),$

当时，δ(x,y)＝arccos(V₃(x,y))，

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}<-V_3(x,y)$ 时，

经过下列计算得到待测样品上该矩阵单元(x,y)的快轴方位角θ(x,y)在-90°～90°范围内的值；

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)≤0时，

当V₂(x,y)＞0时， $\mathrm{\&theta;}(x,y)=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{V_1(x,y)}{V_2(x,y)}\right),$

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)＞0时，

⑥依次改变矩阵单元(x,y)的坐标值x、y和相应的光强I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)，重复步骤⑤的计算，直至所有的矩阵单元(x,y)计算后，即获得待测样品的相位延迟量分布矩阵和快轴方位角分布矩阵。

与先技术相比，本发明的技术效果如下：

1、可以实时测量相位延迟量分布和快轴方位角分布。四个子光束的光强分布是相位延迟量分布和快轴方位角分布的函数，四个子光束被图像传感器同时探测并高速处理，可以实时得到相位延迟量分布和快轴方位角分布。

2、光源的光强波动不影响测量结果。计算过程中初始光强值被消除，使待测样品的相位延迟量分布和快轴方位角分布的测量结果与初始光强无关。

3、相位延迟量分布和快轴方位角分布的测量范围大。四个子光束的光强分布可以计算出待测样品相位延迟量分布、快轴方位角分布的正弦函数和余弦函数，利用这两个函数可以精确地计算出相位延迟量分布在0°~180°范围内的值和快轴方位角分布在-90°~90°范围内的值。

附图说明

图1为本发明所述相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量光路图

图2为本发明实施例检偏器阵列的结构图

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

先请参阅图1，图1是本发明相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量光路图。由图可见，本发明相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置，该装置由准直光源1、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、图像传感器7和计算机8组成，其位置关系是：沿所述的准直光源1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。衍射分束元件4将入射光束分成四个子光束，其中一个子光束通过四分之一波片5后被检偏器阵列6中的一个检偏器进行检偏，另外三个子光束不通过四分之一波片5被检偏器阵列6中的另外三个检偏器直接检偏。所述的图像传感器7与计算机8通过电气连接，计算机8不在光路中。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。

所述的准直光源1为He-Ne激光器。

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。

所述的衍射分束元件4为达曼光栅，利用衍射效应将入射光进行分束并获得四个光强度相等的±1级子光束。

所述的四分之一波片5为零级石英波片，它仅处于所述的衍射分束元件4产生的一个子光束中。

所述的检偏器阵列6的结构如图2所示，它由四个透振方向依次相差45°的消光比优于10^-3的偏振片组成，与所述的四分之一波片5处于同一个子光束中的检偏器为第一检偏器61。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°、90°、135°和0°夹角。

所述的图像传感器7为CCD图像传感器。

所述的计算机8为带有图像采集卡的计算机。

利用所述的相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置测量相位延迟量分布和快轴方位角分布的方法，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、图像传感器7和计算机8，所述的图像传感器7接收四个子光束产生的图像并输入所述的计算机8进行处理，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(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)；

③所述的计算机8对所述的待测样品3上的矩阵单元(x,y)对应的光强I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)进行下列定义并运算：

$V_1(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\sin \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=\frac{{2I}_4(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}-1$

$V_2(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\cos \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=\frac{{2I}_3(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}-1$

$V_3(x,y)=\cos \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)=1-\frac{{2I}_1(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}$

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\&le;V_3(x,y)$ 时，则 $\mathrm{\&delta;}(x,y)=\arcsin \left(\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\right),$

当时，则δ(x,y)＝arccos(V₃(x,y))，

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}<-V_3(x,y)$ 时，则

经过计算得到待测样品3上该矩阵单元(x,y)的相位延迟量δ(x,y)在0～180°范围内的值；

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)≤0时，则

当V₂(x,y)＞0时，则 $\mathrm{\&theta;}(x,y)=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{V_1(x,y)}{V_2(x,y)}\right),$

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)＞0时，则

经过计算得到待测样品3上该矩阵单元(x,y)的快轴方位角θ(x,y)在-90°～90°范围内的值。

④依次改变矩阵单元(x,y)的坐标值x、y和相应的光强I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)，重复步骤③的计算，直至所有的矩阵单元(x,y)计算后，即获得了待测样品3的相位延迟量分布和快轴方位角分布。

本发明的工作原理如下：

由所述的圆起偏器2出射的圆偏振光可以用琼斯矢量E表达为：

$E=\frac{E_0}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right],---\left(1\right)$

其中E₀为圆偏振光的振幅。

所述的待测样品3上任意一个矩阵单元(x,y)的琼斯矩阵J_S可以表示为：

$J_s=\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}-i\sin \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}\cos 2\mathrm{\&theta;}(x,y)& -i\sin \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}\sin 2\mathrm{\&theta;}(x,y)\\ -i\sin \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}\sin 2\mathrm{\&theta;}(x,y)& \cos \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}+i\sin \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}\cos 2\mathrm{\&theta;}(x,y)\end{array}\right],---\left(2\right)$

其中δ(x,y)和θ(x,y)分别为所述的待测样品3上矩阵单元(x,y)的相位延迟量和快轴方位角。

所述的检偏器阵列6中的检偏器可以用琼斯矩阵JP表示为

$J_P=\left[\begin{array}{cc}{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}& \sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&alpha;}\\ \sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&alpha;}& {\sin }^2\mathrm{\&alpha;}\end{array}\right],---\left(3\right)$

其中α为所述的检偏器阵列6中的检偏器的透振方向。所述的四分之一波片5可以用琼斯矩阵J_Q表示为：

$J_Q=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& i\end{array}\right].---\left(4\right)$

子光束经过第二检偏器62、第三检偏器63和第四检偏器64后被所述的图像传感器7接收并被所述的计算机8处理得到的子图像上各矩阵单元可以用琼斯矢量E₁(x,y)表达为：

E₁(x,y)=J_PJ_SE。    (5)

子光束经过四分之一波片5和第一检偏器61后被图像传感器7接收并被所述的计算机8处理得到的子图像上各矩阵单元可以用琼斯矢量E₂(x,y)表达为：

E₂(x,y)=J_PJ_QJ_SE。    (6)

将得到的琼斯矩阵E₁(x,y)和E₂(x,y)共轭转置后与其自身相乘，得到待测样品3上各矩阵单元(x,y)在四个子图像中对应的光强I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)分别为：

I₁(x,y)＝I₀(1-cos(δ(x,y))),    (7)

I₂(x,y)＝I₀(1-sin(δ(x,y))sin(2θ(x,y))),    (8)

I₃(x,y)＝I₀(1+sin(δ(x,y))cos(2θ(x,y))),    (9)

I₄(x,y)＝I₀(1+sin(δ(x,y))sin(2θ(x,y)))。    (10)

由公式(7)～(10)可以得到

$V_1(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\sin \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=\frac{{2I}_4(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}-1---\left(11\right)$

$V_2(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\cos \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=\frac{{2I}_3(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}-1---\left(12\right)$

$V_3(x,y)=\cos \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)=1-\frac{{2I}_1(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}---\left(13\right)$

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\&le;V_3(x,y)$ 时，

$\mathrm{\&delta;}(x,y)=\arcsin \left(\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\right);---\left(14\right)$

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}>\left|V_3(x,y)\right|$ 时，

δ(x,y)＝arccos(V₃(x,y))；    (15)

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}<-V_3(x,y)$ 时，

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)≤0时，

当V₂(x,y)＞0时，

$\mathrm{\&theta;}(x,y)=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{V_1(x,y)}{V_2(x,y)}\right);---\left(18\right)$

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)＞0时，

利用公式(14)～(19)可以计算出δ(x,y)在0～180°范围内的分布值和θ(x,y)在-90°～90°范围内的分布值，即获得了待测样品3的相位延迟量分布和快轴方位角分布。

实施例2

本实施例与实施例1的区别所述的第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器和第四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135°、0°、45°和90°夹角。相应的实时测量相位延迟量分布和快轴方位角分布的方法中的计算机的数据处理也不同，即：

③所述的计算机8对所述的待测样品3上的矩阵单元(x,y)对应的光强I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)进行下列运算：

$V_1(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\sin \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=\frac{{2I}_2(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}-1$

$V_2(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\cos \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=1-\frac{{2I}_3(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}$

$V_3(x,y)=\cos \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)=\frac{{2I}_1(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}-1$

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\&le;V_3(x,y)$ 时， $\mathrm{\&delta;}(x,y)=\arcsin \left(\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\right),$

当时，δ(x,y)＝arccos(V₃(x,y))，

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}<-V_3(x,y)$ 时，

经过计算得到待测样品3上该矩阵单元(x,y)的相位延迟量δ(x,y)在0～180°范围内的值。

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)≤0时，

当V₂(x,y)＞0时， $\mathrm{\&theta;}(x,y)=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{V_1(x,y)}{V_2(x,y)}\right),$

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)＞0时，

经过计算得到待测样品3上该矩阵单元(x,y)的快轴方位角θ(x,y)在-90°～90°范围内的值。

④依次改变矩阵单元(x,y)的坐标值x、y和相应的光强I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)，重复步骤③的计算，直至所有的矩阵单元(x,y)计算后，即获得了待测样品3的相位延迟量分布和快轴方位角分布。

其原理如下：

所述的圆起偏器2出射的圆偏振光可以用琼斯矢量E表达为

$E=\frac{E_0}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}1\\ i\end{array}\right],---\left(20\right)$

其中E₀为圆偏振光的振幅。所述的待测样品3上任意一个矩阵单元(x,y)的琼斯矩阵J_S可以表示为

$J_s=\left[\begin{array}{cc}\cos \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}-i\sin \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}\cos 2\mathrm{\&theta;}(x,y)& -i\sin \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}\sin 2\mathrm{\&theta;}(x,y)\\ -i\sin \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}\sin 2\mathrm{\&theta;}(x,y)& \cos \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}+i\sin \frac{\mathrm{\&delta;}(x,y)}{2}\cos 2\mathrm{\&theta;}(x,y)\end{array}\right],---\left(21\right)$

其中δ(x,y)和θ(x,y)分别为所述的待测样品3上矩阵单元(x,y)的相位延迟量和快轴方位角。所述的检偏器阵列6中的检偏器可以用琼斯矩阵J_P表示为

$J_P=\left[\begin{array}{cc}{\cos }^2\mathrm{\&alpha;}& \sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&alpha;}\\ \sin \mathrm{\&alpha;}\cos \mathrm{\&alpha;}& {\sin }^2\mathrm{\&alpha;}\end{array}\right],---\left(22\right)$

其中α为所述的检偏器阵列6中的检偏器的透振方向。所述的四分之一波片5可以用琼斯矩阵J_Q表示为

$J_Q=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& i\end{array}\right].---\left(23\right)$

子光束经过第二检偏器62、第三检偏器63和第四检偏器64后被所述的图像传感器7接收并被所述的计算机8处理得到的子图像上各矩阵单元可以用琼斯矢量E₁(x,y)共同表达为

E₁(x,y)＝J_PJ_SE。    (24)

子光束经过四分之一波片5和第一检偏器61后被图像传感器7接收并被所述的计算机8处理得到的子图像上各矩阵单元可以用琼斯矢量E₂(x,y)表达为

E₂(x,y)＝J_PJ_QJ_SE。    (25)

将得到的琼斯矩阵E₁(x,y)和E₂(x,y)共轭转置后与其自身相乘，得到待测样品3上各矩阵单元(x,y)在四个子图像中对应的光强I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)分别为：

I₁(x,y)＝I₀(1+cos(δ(x,y))),    (26)

I₂(x,y)＝I₀(1+sin(δ(x,y))sin(2θ(x,y))),    (27)

I₃(x,y)＝I₀(1-sin(δ(x,y))cos(2θ(x,y))),    (28)

I₄(x,y)＝I₀(1-sin(δ(x,y))sin(2θ(x,y)))。    (29)

由公式(22)～(25)可以得到

$V_1(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\sin \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=\frac{{2I}_2(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}-1---\left(30\right)$

$V_2(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\cos \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=1-\frac{{2I}_3(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}---\left(31\right)$

$V_3(x,y)=\cos \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)=\frac{{2I}_1(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}-1---\left(32\right)$

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\&le;V_3(x,y)$ 时，

$\mathrm{\&delta;}(x,y)=\arcsin \left(\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\right);---\left(33\right)$

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}>\left|V_3(x,y)\right|$ 时，

δ(x,y)＝arccos(V₃(x,y))；    (34)

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}<-V_3(x,y)$ 时，

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)≤0时，

当V₂(x,y)＞0时，

$\mathrm{\&theta;}(x,y)=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{V_1(x,y)}{V_2(x,y)}\right);---\left(37\right)$

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)＞0时，

利用公式(33)～(38)可以计算出δ(x,y)在0～180°范围内的分布值和θ(x,y)在-90°～90°范围内的分布值，即获得了待测样品3的相位延迟量分布和快轴方位角分布。

实验表明，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。

Claims (8)

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(1)、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)、CCD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(1)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(63)和第四检偏器(64)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)和衍射分束元件(4)之间设置待测样品(3)的插口。

2.根据权利要求1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(1)为He-Ne激光器。

3.根据权利要求1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1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1所述的相位延迟量分布和快轴方位角分布实时测量装置，其特征在于所述的四分之一波片(5)为零级石英波片。

6.根据权利要求1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10^-3的偏振片。

7.利用权利要求1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)、CCD图像传感器(7)和计算机(8)，所述的CCD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)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(x,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(61)的透振方向与所述的四分之一波片(5)的快轴方向成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(x,y)对应的光强I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)进行下列运算并定义：

$V_1(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\sin \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=\frac{2I_1(x,y)}{I_1(x,y)+I_3(x,y)}-1$

$V_2(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\cos \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=\frac{2I_4(x,y)}{I_1(x,y)+I_3(x,y)}-1$

$V_3(x,y)=\cos \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)=1-\frac{2I_2(x,y)}{I_1(x,y)+I_3(x,y)}$

其中：δ(x,y)为矩阵单元(x,y)的相位延迟量；θ(x,y)为矩阵单元(x,y)的快轴方位角，

经过下列计算得到待测样品(3)上该矩阵单元(x,y)的相位延迟量δ(x,y)在0～180°范围内的值：

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\&le;V_3(x,y)$ 时，则 $\mathrm{\&delta;}(x,y)=\arcsin \left(\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\right),$

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}>{|V}_3(x,y)|$ 时，则δ(x，y)＝arccos(V₃(x，y))，

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}<-V_3(x,y)$ 时，则

经过下列计算得到待测样品(3)上该矩阵单元(x,y)的快轴方位角θ(x,y)在-90°～90°范围内的值：

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)≤0时，则

当V₂(x,y)＞0时，则 $\mathrm{\&theta;}(x,y)=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{V_1(x,y)}{V_2(x,y)}\right),$

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)＞0时，则

④依次改变矩阵单元(x,y)的坐标值x、y和相应的光强I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)，重复步骤③的计算，直至所有的矩阵单元(x,y)计算后，即获得了待测样品(3)的相位延迟量分布矩阵和快轴方位角分布矩阵；

当所述的测量装置的第一检偏器(61)的透振方向与所述的四分之一波片(5)的快轴方向成135°时，所述的计算机(8)进行步骤⑤⑥的处理：

⑤所述的计算机(8)对所述的待测样品(3)上的矩阵单元(x,y)对应的光强I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)进行下列运算并定义：

$V_1(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\sin \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=\frac{2I_2(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}-1$

$V_2(x,y)=\sin \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)\cos \left(2\mathrm{\&theta;}(x,y)\right)=1-\frac{2I_3(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}$

$V_3(x,y)=\cos \left(\mathrm{\&delta;}(x,y)\right)=\frac{2I_1(x,y)}{I_2(x,y)+I_4(x,y)}-1$

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\&le;V_3(x,y)$ 时， $\mathrm{\&delta;}(x,y)=\arcsin \left(\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}\right),$

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}>{|V}_3(x,y)|$ 时，δ(x,y)＝arccos(V₃(x,y))，

当 $\sqrt{{V_1}^2(x,y)+{V_2}^2(x,y)}<-V_3(x,y)$ 时，

经过下列计算得到待测样品(3)上该矩阵单元(x,y)的相位延迟量δ(x,y)在0～180°范围内的值；

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)≤0时，

当V₂(x,y)＞0时， $\mathrm{\&theta;}(x,y)=\frac{1}{2}\arctan \left(\frac{V_1(x,y)}{V_2(x,y)}\right),$

当V₂(x,y)＜0&V₁(x,y)＞0时，

经过下列计算得到待测样品(3)上该矩阵单元(x,y)的快轴方位角θ(x,y)在-90°～90°范围内的值；

⑥依次改变矩阵单元(x,y)的坐标值x、y和相应的光强I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)和I₄(x,y)，重复步骤⑤的计算，直至所有的矩阵单元(x,y)计算后，即获得待测样品(3)的相位延迟量分布矩阵和快轴方位角分布矩阵。