CN105784327A - 用于测定复合零级波片装配误差的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测定复合零级波片装配误差的装置，包括宽带光源、第一光阑、第二光阑、第一偏振片、第二偏振片、旋转调整架、控制器、多通道光栅光谱仪以及计算处理装置，被测定复合零级波片安装在旋转调整架上，并且位于第一偏振片、第二偏振片之间，通过旋转被测定复合零级波片，实现谱域移相，从而提出光谱数据初相位，在提取光谱数据初相位的情况下，通过列文伯格‑马夸尔特法拟合椭偏光特征参数，获取装配误差。

Description

用于测定复合零级波片装配误差的装置与方法

技术领域

本发明涉及光干涉计量测试领域，具体而言涉及一种用于测定复合零级波片装配误差的装置与方法。

背景技术

波片是偏振光技术中重要的光学器件，它可以用来改变光束的偏振状态，被广泛应用于干涉仪、激光衰减器、偏振光显微镜、光隔离器、偏振仪等诸多光学器件上，特别是在材料研究和集成电路等领域常用的椭圆偏振仪中，波片是能够实现超精密尺度测量的关键器件。

一般来说，波片可以分为真零级波片、多级波片、复合零级波片、胶合零级波片及消色差波片。复合零级波片因能够实现光谱范围内更均匀的偏振相位调制而被广泛应用于宽光谱测量中。然而由于工艺限制，复合零级波片中两片晶体的快轴不是绝对的垂直，而是存在一定的角度偏差，在此情况下波片的相位延迟不再是单一轴向的，会造成椭圆偏振系统的测量偏差。因此，复合零级波片的装配误差需要有效的检测和控制。

对于复合零级波片装配误差，现有技术中采用Dichotomous方法检测偏差角度，该方法要求检测系统的起偏器角度和检偏器角度必须限制在π/2，调整精度要求较高，并且没有给出具体明确的数学解释。现有技术中还提出一种基于直通式椭偏系统的检测偏差角度的方法，通过测定谱域干涉光强的傅里叶系数，并根据其与装配误差的关系，采用最小二乘拟合来测量装配误差，但该方法的计算过程较为复杂，且只选取4个波长处的数据，没有完全利用数据，因而引入的随机误差较大。

发明内容

本发明旨在提供一种用于测定复合零级波片装配误差的装置与方法，装置的光路设计简单，易于装配。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种用于测定复合零级波片装配误差的装置，包括宽带光源、第一光阑、第二光阑、第一偏振片、第二偏振片、旋转调整架、控制器、多通道光栅光谱仪以及计算处理装置，被测定复合零级波片安装在旋转调整架上，并且位于第一偏振片、第二偏振片之间，其中：

宽带光源，用于向被测定复合零级波片提供照明；

第一光阑，置于宽带光源与第一偏振片之间，并且位于被测定复合零级波片之前，用于限制照明光束的发散；

第二光阑，置于第二偏振片与多通道光栅光谱仪之间，并且位于被测定复合零级波片之后，用于限制照明光束的发散；

作为起偏器的二向性偏振片，作为第一偏振片，置于第一光阑之后；

作为检偏器的二向性偏振片，作为第二偏振片，置于第二光阑之前；

旋转调整架，用于带动被测定复合零级波片转动；

控制器，与所述旋转调整架连接，用于控制旋转调整架的运动；

多通道光栅光谱仪，均置于第二光阑之后，用于采集随着波长变化的光谱数据，即随着波长变化的相对光强值；

计算处理装置，分别连接至所述控制器以及多通道光栅光谱仪，用于向控制器施加控制指令以调整旋转架旋转的位置以实现不同角度下光谱数据的采集，以及根据多通道光栅光谱仪采集的光谱数据测定装配误差。

进一步的实施例中，所述计算处理装置被设置成根据多通道光栅光谱仪采集的光谱数据并按照下面的方式测定装配误差：使用复合零级波片的琼斯矩阵乘积模型和复合零级波片的特征向量的参数模型建立复合零级波片装配误差和椭偏光特征参数之间关系，再通过波片旋转实现谱域移相，获取多组光谱数据进行处理，以提取椭偏光特征参数，最后采用列文伯格-马夸尔特法拟合椭偏光特征参数计算出装配误差。

根据本发明的改进，还提出一种用于测定复合零级波片装配误差的方法，包括：

步骤1、比较复合零级波片的琼斯矩阵乘积模型和特征向量参数模型，得出复合零级波片出射的椭偏光参数和装配误差的关系；

步骤2、转动复合零级波片实现谱域移相，采集多组移相后的光谱数据，提取初相位，获取椭偏光特征参数；

步骤3、采用列文伯格-马夸尔特法拟合椭偏光特征参数，得出装配误差。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是根据本发明某些实施例的用于测定复合零级波片装配误差的装置的示意图。

图2是根据本发明某些实施例的用于测定复合零级波片装配误差的方法的流程示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1所示，根据本发明的实施例，一种用于测定复合零级波片装配误差的装置，包括宽带光源1、第一光阑2、第二光阑6、第一偏振片3、第二偏振片5、旋转调整架10、控制器2、多通道光栅光谱仪7以及计算处理装置，被测定复合零级波片4安装在旋转调整架10上，并且位于第一偏振片3、第二偏振片5之间。

宽带光源1，用于向被测定复合零级波片提供照明。例如，大恒光学公司的150W光强大小可调的直流稳压光纤光源，型号GCI0601。

第一光阑2，置于宽带光源1与第一偏振片3之间，并且位于被测定复合零级波片4之前，用于限制照明光束的发散。

第二光阑6，置于第二偏振片5与多通道光栅光谱仪7之间，并且位于被测定复合零级波片4之后，用于限制照明光束的发散。

两个光阑取直径大小2mm，横向分隔间隔为50cm。

作为起偏器的二向性偏振片，作为第一偏振片3，置于第一光阑2之后。

作为检偏器的二向性偏振片，作为第二偏振片5，置于第二光阑6之前。

第一偏振片3、第二偏振片5均采用索雷博，LPVIS050-MP,550nmto1500nm的偏振片。两者均安装在偏振片夹持器上，可以实现360°旋转。

旋转调整架10，用于带动被测定复合零级波片4转动。

控制器8，与所述旋转调整架10连接，用于控制旋转调整架10的运动。

多通道光栅光谱仪7，均置于第二光阑6之后，用于采集随着波长变化的光谱数据，即随着波长变化的相对光强值。例如，采用海洋光学USB4000的光谱仪。在获取等间隔移相的光谱数据后，采用移相法，进行相位提取，获得的相位随着波长呈正弦变化。

计算处理装置9，分别连接至所述控制器8以及多通道光栅光谱仪7，用于向控制器8施加控制指令以调整旋转架旋转的位置以实现不同角度下光谱数据的采集，以及根据多通道光栅光谱仪7采集的光谱数据测定装配误差。

结合图1所示，来自光源1的光束通过第一光阑2，经过第一起偏器3变为线偏振光，此线偏振光依次通过被测的复合零级波片4、作为检偏器的第二偏振片5，以及第二光阑6后，到达光谱仪7，由计算处理装置9记录数据。其中被测复合零级波片被安置于旋转调整架10上，旋转调整架10与控制器8相连，计算处理装置9记给控制器8发出指令信号，控制调整架10旋转，以实现不同角度情况下数据的采集。

在一些例子中，直流光源1为直流稳压光纤光源。

旋转调整架10为圆盘形旋转调整架。

优选地，所述第一光阑2和第二光阑6均为可调光阑。

本实施例中，计算处理装置9，例如计算机，被设置成根据多通道光栅光谱仪采集的光谱数据并按照下面的方式测定装配误差：使用复合零级波片4的琼斯矩阵乘积模型和复合零级波片的特征向量的参数模型建立复合零级波片装配误差和椭偏光特征参数之间关系，再通过波片旋转实现谱域移相，获取多组光谱数据进行处理，以提取椭偏光特征参数，最后采用列文伯格-马夸尔特法拟合椭偏光特征参数计算出装配误差。

在一些具体的实例中，复合零级波片4的琼斯矩阵乘积模型为：

其中，δ₁和δ₂分别为组成复合波片的两个波片的延迟量，为装配误差。

复合零级波片4的特征向量的参数模型为：

其中，β为偏振光矢量的振幅比角，Δ表示两个正交的偏正光之间的相位差，r为波片相位延迟量。

根据前述的公式1和公式2，建立复合波片出射的椭偏光参数和装配误差的关系为：

其中，α为从复合零级波片出射的椭偏光的相位角。

通过转动波片实现谱域移相，光谱仪记录的谱域光强可以表达为：

S(λ)＝A(λ)+B(λ)cos[4θ-4α(λ)](4)

其中，θ定义为探测角，为复合波片的转动角度。

以四步移相为例，每步移相则初相位(即前述的椭偏光的相位角)α可以表达为：

其中S₁(λ)，S₂(λ)，S₃(λ)和S₄(λ)分别为四步移相采集的光谱数据。

最后，我们采用列文伯格-马夸尔特法对(2)式进行拟合以获取零级波片的装配误差。

在前面的例子中，我们采用四步法进行举例说明，应该理解，诸如三步法移相同样可以采用这样的方式来表达相位角。

结合图1、图2所示，根据本发明的改进，还提出一种用于测定复合零级波片装配误差的方法，包括：

步骤1、比较复合零级波片的琼斯矩阵乘积模型和特征向量参数模型，得出复合零级波片出射的椭偏光参数和装配误差的关系；

步骤2、根据权利要求1所建立的装置，转动复合零级波片实现谱域移相，采集多组移相后的光谱数据，提取初相位，获取椭偏光特征参数；

步骤3、采用列文伯格-马夸尔特法拟合椭偏光特征参数，得出装配误差。

在一些具体的实例中，复合零级波片4的琼斯矩阵乘积模型为：

其中，δ₁和δ₂分别为组成复合波片的两个波片的延迟量，为装配误差。

复合零级波片4的特征向量的参数模型为：

其中，β为偏振光矢量的振幅比角，Δ表示两个正交的偏正光之间的相位差，r为波片相位延迟量。

根据前述的公式1和公式2，建立复合波片出射的椭偏光参数和装配误差的关系为：

其中，α为从复合零级波片出射的椭偏光的相位角。

通过转动波片实现谱域移相，光谱仪记录的谱域光强可以表达为：

S(λ)＝A(λ)+B(λ)cos[4θ-4α(λ)](4)

其中，θ定义为探测角，为复合波片的转动角度。

以四步移相为例，每步移相则初相位(即前述的椭偏光的相位角)α可以表达为：

其中S₁(λ)，S₂(λ)，S₃(λ)和S₄(λ)分别为四步移相采集的光谱数据。

最后，我们采用列文伯格-马夸尔特法对(2)式进行拟合以获取零级波片的装配误差。

下面我们结合一些具体测定实例来说明本发明方案的测定过程和计算准确性。

采用海洋光学USB4000的多通道光谱仪，与计算机9共同实现系统的数据采集和处理。在人为设定复合波片装配误差为1°情况下，通过控制器8控制波片精确旋转，分别在旋转22.5°的情况下采集数据，在波片旋转四次的情况下采集四个光谱数据。

在获取等间隔移相的光谱数据后，采用移相法，根据公式5进行相位提取，获得的相位随着波长呈正弦变化。

在人为设定装配误差为1°情况下获得的椭偏光相位角。改变装配误差的大小分别为0°、2°、3°、4°、5°，分别采用谱域移相法获取椭偏光相位角。

结合表1，在获取从复合波片出射的椭偏光相位角的情况下，根据公式4采用列文伯格-马夸尔特法拟合处装配误差。从表中可以看出，拟合得到的装配误差与实验设定的人为装配误差值相差很小，分别为0.06°、0.09°、0.12°、0.13°、0.05°、0.09°，说明基于谱域移相进行复合零级波片装配误差测定的方法是简单有效而准确的方法。

表1

本发明对复合零级波片装配误差的测定方案中，通过旋转波片，实现谱域移相，从而提出光谱数据初相位的数据处理方法，这样的方式不仅整个测定系统的光路结构简单，安装方便，而且最后的计算过程也相对不复杂，结算结果精确。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种用于测定复合零级波片装配误差的装置，其特征在于，包括宽带光源、第一光阑、第二光阑、第一偏振片、第二偏振片、旋转调整架、控制器、多通道光栅光谱仪以及计算处理装置，被测定复合零级波片安装在旋转调整架上，并且位于第一偏振片、第二偏振片之间，其中：

宽带光源，用于向被测定复合零级波片提供照明；

第一光阑，置于宽带光源与第一偏振片之间，并且位于被测定复合零级波片之前，用于限制照明光束的发散；

第二光阑，置于第二偏振片与多通道光栅光谱仪之间，并且位于被测定复合零级波片之后，用于限制照明光束的发散；

作为起偏器的二向性偏振片，作为第一偏振片，置于第一光阑之后；

作为检偏器的二向性偏振片，作为第二偏振片，置于第二光阑之前；

旋转调整架，用于带动被测定复合零级波片转动；

控制器，与所述旋转调整架连接，用于控制旋转调整架的运动；

多通道光栅光谱仪，均置于第二光阑之后，用于采集随着波长变化的光谱数据，即随着波长变化的相对光强值；

计算处理装置，分别连接至所述控制器以及多通道光栅光谱仪，用于向控制器施加控制指令以调整旋转架旋转的位置以实现不同角度下光谱数据的采集，以及根据多通道光栅光谱仪采集的光谱数据测定装配误差。

2.根据权利要求1所述的用于测定复合零级波片装配误差的装置，其特征在于，所述直流光源为直流稳压光纤光源。

3.根据权利要求1所述的用于测定复合零级波片装配误差的装置，其特征在于，所述旋转调整架为圆盘形旋转调整架。

4.根据权利要求1所述的用于测定复合零级波片装配误差的装置，其特征在于，所述第一光阑和第二光阑为可调光阑。

5.根据权利要求1所述的用于测定复合零级波片装配误差的装置，其特征在于，所述计算处理装置被设置成根据多通道光栅光谱仪采集的光谱数据并按照下面的方式测定装配误差：使用复合零级波片的琼斯矩阵乘积模型和复合零级波片的特征向量的参数模型建立复合零级波片装配误差和椭偏光特征参数之间关系，再通过波片旋转实现谱域移相，获取多组光谱数据进行处理，以提取椭偏光特征参数，最后采用列文伯格-马夸尔特法拟合椭偏光特征参数计算出装配误差。

6.一种采用权利要求1-5中任意一项所述的装置实现的用于测定复合零级波片装配误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、比较复合零级波片的琼斯矩阵乘积模型和特征向量参数模型，得出复合零级波片出射的椭偏光参数和装配误差的关系；

步骤2、转动复合零级波片实现谱域移相，采集多组移相后的光谱数据，提取初相位，获取椭偏光特征参数；

步骤3、采用列文伯格-马夸尔特法拟合椭偏光特征参数，得出装配误差。