CN112747899A - 一种偏振元件的测量方法及测量装置 - Google Patents

一种偏振元件的测量方法及测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种偏振元件的测量方法及测量装置，偏振元件的测量方法，包括：获取未放置所述偏振元件时的空气光强矩阵Iair；获取放置所述偏振元件后穿过所述偏振元件的样品光强矩阵Ii；其中，所述样品光强矩阵Ii为矩阵Mi的函数，矩阵Mi为以穆勒矩阵表示所述偏振元件偏振特性的矩阵中不含旋转部分的矩阵；根据所述空气光强矩阵Iair以及所述样品光强矩阵Ii获取中转关联矩阵Ci，以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系；根据中转关联矩阵Ci以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系，获取所述偏振元件的透过率和相位延迟。本发明提供一种偏振元件的测量方法及测量装置，以实现在对偏振元件测量时无需提前标定，且可以提高测量精度。

Description

一种偏振元件的测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及光学测量技术，尤其涉及一种偏振元件的测量方法及测量装置。
背景技术
光刻机等大型超高数值孔径成像系统对各种光学元件的要求极高，在偏振相关的实验中，需精确地知道偏振元件的特性，比如：偏振片的消光比、波片的相位延迟等。偏振片的消光比为亮轴和暗轴的透过率之比，波片的相位延迟为快轴和慢轴之间的相对相位。
通常利用椭偏仪对偏振元件的特性进行测量，但是椭偏仪本身的标定精度会对测试结果影响很大。
发明内容
本发明实施例提供一种偏振元件的测量方法及测量装置，以实现在对偏振元件测量时无需提前标定，且可以提高测量精度。
第一方面，本发明实施例提供一种偏振元件的测量方法，包括：
获取未放置所述偏振元件时的空气光强矩阵Iair；
获取放置所述偏振元件后穿过所述偏振元件的样品光强矩阵Ii；其中，所述样品光强矩阵Ii为矩阵Mi的函数，矩阵Mi为以穆勒矩阵表示所述偏振元件偏振特性的矩阵中不含旋转部分的矩阵；
根据所述空气光强矩阵Iair以及所述样品光强矩阵Ii获取中转关联矩阵Ci，以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系；
根据中转关联矩阵Ci以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系，获取所述偏振元件的透过率和相位延迟。
可选地，
Iair＝AW；
Ii＝AMsampleW＝AR(θ)MiR(-θ)W；
Figure BDA0002252472850000021
其中，A为q种偏振态检测单元的穆勒矩阵中第一行向量拼接成的矩阵；W为n种偏振态生成单元的偏振态由斯托克斯列向量表示时拼接成的矩阵；q和n均为大于或者等于3的正整数；R(θ)和R(-θ)均为4×4的旋转矩阵；Msample为所述偏振元件的穆勒矩阵；中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值相同。
可选地，
Iair＝AMmirrorW；
Figure BDA0002252472850000022
Figure BDA0002252472850000023
其中，A为q种偏振态检测单元的穆勒矩阵中第一行向量拼接成的矩阵；W为n种偏振态生成单元的偏振态由斯托克斯列向量表示时拼接成的矩阵；q和n均为大于或者等于3的正整数；Mmirror为反射镜的穆勒矩阵；R(θ)和R(-θ)均为4×4的旋转矩阵；
Figure BDA0002252472850000024
为光束逆向入射所述偏振元件时的穆勒矩阵；
Figure BDA0002252472850000025
为光束正向入射所述偏振元件时的穆勒矩阵；中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值的平方相同。
可选地，获取所述偏振元件的透过率和相位延迟包括：
获取所述偏振元件沿x方向上的透过率tx，获取所述偏振元件沿y方向上的透过率ty，以及获取所述偏振元件的相位延迟；其中，所述x方向为所述偏振元件的亮轴的延伸方向，所述y方向为所述偏振元件的暗轴的延伸方向；或者，所述x方向为所述偏振元件的暗轴的延伸方向，所述y方向为所述偏振元件的亮轴的延伸方向；
在根据中转关联矩阵Ci以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系，获取所述偏振元件的透过率和相位延迟之后，所述测量方法还包括：
获取所述偏振元件的亮轴以及暗轴；
将所述偏振元件的亮轴标定为tx和ty中的最大值，将所述偏振元件的暗轴标定为tx和ty中的最小值；
获取所述偏振元件的相位延迟的正负性。
第二方面，本发明实施例提供一种偏振元件的测量装置，包括：
光源；
偏振态生成单元，位于所述光源的出射光路上，用于产生任意偏振态的光；
偏振态检测单元，位于所述偏振态生成单元的出射光路上，用于对入射到所述偏振态检测单元的光进行调制；所述偏振元件位于所述偏振态生成单元与所述偏振态检测单元之间的光路上；
探测器，位于所述偏振态检测单元的出射光路上，用于探测入射到所述探测器上的光强度；
测量单元，与所述探测器通讯连接，用于获取未放置所述偏振元件时的空气光强矩阵Iair；获取放置所述偏振元件后穿过所述偏振元件的样品光强矩阵Ii；其中，所述样品光强矩阵Ii为矩阵Mi的函数，矩阵Mi为以穆勒矩阵表示偏振元件偏振特性的矩阵中不含旋转部分的矩阵；根据所述空气光强矩阵Iair以及所述样品光强矩阵Ii获取中转关联矩阵Ci，以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系；根据中转关联矩阵Ci以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系，获取所述偏振元件的透过率和相位延迟。
可选地，所述偏振元件位于所述偏振态生成单元与所述偏振态检测单元之间。
可选地，还包括分光棱镜和反射镜，所述分光棱镜位于所述偏振态生成单元与所述反射镜之间；所述偏振元件位于所述分光棱镜与所述反射镜之间。
可选地，还包括分光棱镜和反射镜，所述分光棱镜位于所述偏振态检测单元与所述反射镜之间；所述偏振元件位于所述分光棱镜与所述反射镜之间。
可选地，所述偏振元件的相对两个表面相互平行；所述反射镜为平面反射镜。
可选地，所述偏振元件的焦距为有限长度的焦距；所述反射镜为球面反射镜，所述球面反射镜的球心与所述偏振元件的焦点重合。
可选地，所述偏振态生成单元包括第一偏振片和第一四分之一波片，所述第一偏振片位于所述光源与所述第一四分之一波片之间的光路上。
可选地，所述偏振态检测单元包括第二偏振片和第二四分之一波片，所述第二偏振片位于所述探测器与所述第二四分之一波片之间的光路上。
可选地，所述偏振态生成单元还包括至少一个旋转电机，所述旋转电机用于改变所述第一偏振片相对于所述第一四分之一波片晶轴的方位角；或者，所述偏振态生成单元包括多个所述第一偏振片和多个所述第一四分之一波片，一个所述第一偏振片和一个所述第一四分之一波片以设定方位角组合，不同的所述第一偏振片以及所述第一四分之一波片具有不同的方位角组合，多个所述第一偏振片和多个所述第一四分之一波片以不同方位角组合且集成在一块版上。
可选地，所述偏振态检测单元还包括至少一个旋转电机，所述旋转电机用于改变所述第二偏振片相对于所述第二四分之一波片晶轴的方位角；或者，
所述偏振态检测单元包括多个所述第二偏振片和多个所述第二四分之一波片，一个所述第二偏振片和一个所述第二四分之一波片以设定方位角组合，不同的所述第二偏振片以及所述第二四分之一波片具有不同的方位角组合，多个所述第二偏振片和多个所述第二四分之一波片以不同方位角组合且集成在一块版上。
可选地，所述偏振态生成单元和所述偏振态检测单元生成至少3种不同的偏振态。
本发明实施例提供的偏振元件的测量方法中，可以根据中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系获取矩阵Mi本征值，然后由矩阵Mi本征值获取偏振元件的透过率和相位延迟，无需知道偏振态生成单元和偏振态检测单元的精确值，对偏振元件测量时无需提前标定，且由于无需提前标定，从而可以提高测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例提供一种偏振元件的测量方法流程图；
图2为本发明实施例提供一种偏振元件的测量装置的示意图；
图3为将第一偏振片和第一四分之一波片的组合，或第二偏振片和第二四分之一波片的组合的一种示意图；
图4为将第一偏振片和第一四分之一波片的组合，或第二偏振片和第二四分之一波片的组合的另一种示意图；
图5为将第一偏振片和第一四分之一波片的组合，或第二偏振片和第二四分之一波片的组合的另一种示意图；
图6为偏振元件沿x方向的透过率随样品方位角的一种示意图；
图7为偏振元件沿y方向的透过率随样品方位角的一种示意图；
图8为偏振元件的相位延迟随样品方位角的一种示意图；
图9为偏振元件沿x方向的透过率随测试次数的示意图；
图10为偏振元件沿y方向的透过率随测试次数的示意图；
图11为偏振元件的相位延迟随测试次数的示意图；
图12为本发明实施例提供另一种偏振元件的测量装置的示意图；
图13为本发明实施例提供另一种偏振元件的测量装置的示意图；
图14为偏振元件沿x方向的透过率随样品方位角的另一种示意图；
图15为偏振元件沿y方向的透过率随样品方位角的另一种示意图；
图16为偏振元件的相位延迟随样品方位角的另一种示意图；
图17为本发明实施例提供另一种偏振元件的测量装置的示意图；
图18为本发明实施例提供另一种偏振元件的测量装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供一种偏振元件的测量方法流程图，参考图1，本发明实施例提供的偏振元件的测量方法包括如下步骤：
步骤S110、获取未放置偏振元件时的空气光强矩阵Iair。
本发明各实施例中，偏振元件不仅包括偏振片等可以实现偏振特性的元件，还包括在光刻机等光学性能要求较高的装置中需要考虑到偏振特性、相位延迟特性的波片、凸透镜以及凹透镜等元件。获取未放置偏振元件时的光强度时，可以使偏振态生成单元和偏振态检测单元生成至少3种不同的偏振态。
步骤S120、获取放置偏振元件后穿过偏振元件的样品光强矩阵Ii。
获取放置偏振元件后穿过偏振元件的光强度时，可以使偏振态生成单元和偏振态检测单元生成至少3种不同的偏振态。
其中，样品光强矩阵Ii为矩阵Mi的函数，矩阵Mi为以穆勒矩阵表示偏振元件偏振特性的矩阵中不含旋转部分的矩阵。以穆勒矩阵表示偏振元件偏振特性的矩阵中还可以包括含旋转部分的矩阵。也就是说，以穆勒矩阵表示偏振元件偏振特性的矩阵可以为矩阵Mi与含旋转部分的矩阵的乘积。
步骤S130、根据空气光强矩阵Iair以及样品光强矩阵Ii获取中转关联矩阵Ci，以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系。
示例性地，
Figure BDA0002252472850000071
可以根据空气光强矩阵Iair以及样品光强矩阵Ii获取中转关联矩阵Ci，并可以根据空气光强矩阵Iair以及样品光强矩阵Ii获取中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系。可以理解的是，在其他实施方式中，也可以定义
Figure BDA0002252472850000072
Figure BDA0002252472850000073
与
Figure BDA0002252472850000074
为相似矩阵，相似矩阵具有相同的本征值。
步骤S140、根据中转关联矩阵Ci以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系，获取偏振元件的透过率和相位延迟。
由于偏振元件的透过率和相位延迟与以穆勒矩阵表示偏振元件偏振特性相关，并可以通过矩阵Mi的本征值求得。因此，可以通过中转关联矩阵Ci获取中转关联矩阵Ci本征值，并通过中转关联矩阵Ci本征值以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系获取矩阵Mi本征值，然后由矩阵Mi本征值获取偏振元件的透过率和相位延迟。
现有技术中，通常利用椭偏仪对偏振元件的特性进行测量，但是椭偏仪本身的标定精度会对测试结果影响很大，使用标定样品对椭偏仪标定时，需要精确地知道标定样品的偏振特性，标定样品的偏振特性至少包括x，y方向上的透过率、相位延迟，以及方位角。这样就对标定样品提出了很高的要求，且标定误差会导致测量误差，测量精度不高。本发明实施例提供的偏振元件的测量方法中，可以根据中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系获取矩阵Mi本征值，然后由矩阵Mi本征值获取偏振元件的透过率和相位延迟，无需知道偏振态生成单元和偏振态检测单元的精确值，对偏振元件测量时无需提前标定，且由于无需提前标定，从而可以提高测量精度。
可选地，偏振元件的测量方法包括：获取未放置偏振元件时的空气光强矩阵Iair，Iair＝AW。获取放置偏振元件后穿过偏振元件的样品光强矩阵Ii，Ii＝AMsampleW＝AR(θ)MiR(-θ)W。根据空气光强矩阵Iair以及样品光强矩阵Ii获取中转关联矩阵Ci，
Figure BDA0002252472850000081
可见，中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值相同。其中，A为q种偏振态检测单元的穆勒矩阵中第一行向量拼接成的矩阵；W为n种偏振态生成单元的偏振态由斯托克斯列向量表示时拼接成的矩阵；q和n均为大于或者等于3的正整数；R(θ)和R(-θ)均为4×4的旋转矩阵；Msample为偏振元件的穆勒矩阵。其中，A和W可以为满秩矩阵。本发明实施例中，中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值相同，本发明实施例提供的偏振元件的测量方法为单通测量偏振元件的方法。
示例性地，MPSA为偏振态检测单元的穆勒矩阵，透过偏振元件的光束用斯托克斯向量S来描述，经过偏振态检测单元的光束用斯托克斯向量Sout来描述。由斯托克斯向量和穆勒矩阵的关系得：
Sout＝MPSAS (1)
Sout＝[Iout Qout Uout Vout]T，取Sout的第一个元素光强Iout，则式(1)可缩写为：
Figure BDA0002252472850000091
其中
Figure BDA0002252472850000092
表示矩阵MPSA的第i行第j列元素。当偏振态检测单元中的偏振片因不同方位角的组合形成不同的偏振态，共计q种偏振态时，则式(2)的左边将扩展为如下向量：
Figure BDA0002252472850000093
如定义S＝Msample·W，则式(3)将扩展为：
Figure BDA0002252472850000094
其中，W由斯托克斯向量连接而成，矩阵的列数n代表偏振态生成单元中由于偏振元件方位角组合而形成的n种偏振态，通过测量光强值，便可得到偏振元件的偏振特性。将偏振元件移除，得到未放置偏振元件的空气光强矩阵Iair＝AW。再将待测的偏振元件放入到测量装置中得到偏振元件的样品光强矩阵Ii＝AMsampleW＝AR(θ)MiR(-θ)W。定义：
Figure BDA0002252472850000101
则Ci与矩阵Mi为相似矩阵，即它们拥有共同的本征值。将矩阵Mi表示成偏振元件在x,y方向上的透过率tx，ty及相位延迟Δ的矩阵，为：
Figure BDA0002252472850000102
通过本征值的计算，可得到偏振元件的透过率及相位延迟。式(5)的四个本征值分别为
Figure BDA0002252472850000103
λ3＝txtye-iΔ及λ4＝txtyeiΔ，其中λ1，λ2为实数，λ3，λ4为复数。由此可得到x方向的透过率
Figure BDA0002252472850000104
y方向的透过率
Figure BDA0002252472850000105
及相位延迟Δ＝|arg(λ3)-arg(λ4)|/2。
可选地，偏振元件的测量方法包括：获取未放置偏振元件时的空气光强矩阵Iair，Iair＝AMmirrorW。获取放置偏振元件后穿过偏振元件的样品光强矩阵Ii，
Figure BDA0002252472850000106
根据空气光强矩阵Iair以及样品光强矩阵Ii获取中转关联矩阵Ci，
Figure BDA0002252472850000107
可见，中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值的平方相同。其中，A为q种偏振态检测单元的穆勒矩阵中第一行向量拼接成的矩阵；W为n种偏振态生成单元的偏振态由斯托克斯列向量表示时拼接成的矩阵；q和n均为大于或者等于3的正整数；Mmirror为反射镜的穆勒矩阵；R(θ)和R(-θ)均为4×4的旋转矩阵；
Figure BDA0002252472850000108
为光束逆向入射偏振元件时的穆勒矩阵；
Figure BDA0002252472850000109
为光束正向入射偏振元件时的穆勒矩阵。本发明实施例中，中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值的平方相同，本发明实施例提供的偏振元件的测量方法为双通测量偏振元件的方法。在其他实施例中，中转关联矩阵Ci本征值还可以与矩阵Mi本征值的L次方相同，L≥3，本发明实施例对此不作限定。
示例性地，反射镜的穆勒矩阵Mmirror为：
Figure BDA0002252472850000111
将偏振元件移除，得到未放置偏振元件的空气光强矩阵Iair＝AMmirrorW。再将待测的偏振元件放入到测量装置中得到偏振元件的样品光强矩阵
Figure BDA0002252472850000112
其中，
Figure BDA0002252472850000113
定义：
Figure BDA0002252472850000114
则Ci与矩阵[Mi]2为相似矩阵，即它们拥有共同的本征值。式(5)的四个本征值分别为
Figure BDA0002252472850000115
及
Figure BDA0002252472850000116
其中λ1，λ2为实数，λ3，λ4为复数。由此可得到x方向的透过率
Figure BDA0002252472850000117
y方向的透过率
Figure BDA0002252472850000118
及相位延迟Δ＝|arg(λ3)-arg(λ4)|/4。
可选地，获取偏振元件的透过率和相位延迟包括：
获取偏振元件沿x方向上的透过率tx，获取偏振元件沿y方向上的透过率ty，以及获取偏振元件的相位延迟；其中，x方向为偏振元件的亮轴的延伸方向，y方向为偏振元件的暗轴的延伸方向；或者，x方向为偏振元件的暗轴的延伸方向，y方向为偏振元件的亮轴的延伸方向。
在根据中转关联矩阵Ci以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系，获取偏振元件的透过率和相位延迟之后，测量方法还包括：
获取偏振元件的亮轴以及暗轴。
示例性地，偏振元件为偏振片，偏振片的暗轴为偏振片为偏振片的吸收轴，偏振片的亮轴为偏振片的透过轴。例如可以将待测的偏振元件放置于线性偏振片和探测器之间，旋转线性偏振片90°，通过探测器上的光强大小获取偏振元件的亮轴以及暗轴。
将偏振元件的亮轴标定为tx和ty中的最大值，将偏振元件的暗轴标定为tx和ty中的最小值。
获取偏振元件的相位延迟的正负性。
示例性地，可以通过在待测的偏振元件后沿光束传播方向依次放置电光调制器和偏振片来获取偏振元件的相位延迟的正负性。
本发明实施例中，不仅获取了偏振元件的透过率和相位延迟，还根据获取的偏振元件的亮轴以及暗轴对偏振元件进行标定，且获取了偏振元件的相位延迟的正负性，相位延迟的正负性指的是相位延迟为正值或者负值。
图2为本发明实施例提供一种偏振元件的测量装置的示意图，参考图2，偏振元件的测量装置包括光源1、偏振态生成单元PSG、偏振态检测单元PSA、探测器7和测量单元(图中未示出)。偏振态生成单元PSG位于光源1的出射光路上，用于产生任意偏振态的光。偏振态检测单元PSA位于偏振态生成单元PSG的出射光路上，用于对入射到偏振态检测单元PSA的光进行调制。偏振元件4位于偏振态生成单元PSG与偏振态检测单元PSA之间的光路上，也就是说，沿着光路传播方向上，偏振态生成单元PSG、偏振元件4和偏振态检测单元PSA依次设置。探测器7位于偏振态检测单元PSA的出射光路上，用于探测入射到探测器7上的光强度。测量单元与探测器7通讯连接，用于获取未放置偏振元件4时的空气光强矩阵Iair；获取放置偏振元件4后穿过偏振元件4的样品光强矩阵Ii。其中，样品光强矩阵Ii为矩阵Mi的函数，矩阵Mi为以穆勒矩阵表示偏振元件4偏振特性的矩阵中不含旋转部分的矩阵。根据空气光强矩阵Iair以及样品光强矩阵Ii获取中转关联矩阵Ci，以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系。根据中转关联矩阵Ci以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系，获取偏振元件4的透过率和相位延迟。
需要说明的是，图2中的标记“S”示意的是透过偏振元件4的光束且用斯托克斯向量来描述，标记“Sout”示意的是经过偏振态检测单元PSA的光束且用斯托克斯向量来描述，标记“W”示意的是经过偏振态生成单元PSG的光束且为n种偏振态生成单元的偏振态由斯托克斯列向量表示时拼接成的矩阵。
可选地，参考图2，偏振元件4位于偏振态生成单元PSG与偏振态检测单元PSA之间。也就是说，偏振元件4、偏振态生成单元PSG与偏振态检测单元PSA在一条直线上，偏振元件4位于偏振态生成单元PSG与偏振态检测单元PSA之间。
可选地，获取未放置偏振元件4时的光强度时，可以使偏振态生成单元PSG和偏振态检测单元PSA生成至少3种不同的偏振态。获取放置偏振元件4后穿过偏振元件4的光强度时，可以使偏振态生成单元PSG和偏振态检测单元PSA生成至少3种不同的偏振态。
可选地，参考图2，偏振态生成单元PSG包括第一偏振片2和第一四分之一波片3，第一偏振片2位于光源1与第一四分之一波片3之间的光路上。
示例性地，光源1、第一偏振片2与第一四分之一波片3在一条直线上，第一偏振片2位于光源1与第一四分之一波片3之间。可以在第一偏振片2与第一四分之一波片3上至少安装一个旋转电机，用于改变第一偏振片2相对于第一四分之一波片3晶轴(包括快轴和慢轴)的方位角。偏振态生成单元PSG可以生成至少3种不同的偏振态。在其他实施方式中，偏振态生成单元PSG包括多个第一偏振片2和多个第一四分之一波片3，一个第一偏振片2和一个第一四分之一波片3以设定方位角组合，不同的第一偏振片2以及第一四分之一波片3具有不同的方位角组合，多个第一偏振片2和多个第一四分之一波片3以不同方位角组合且集成在一块版上。
图3为将第一偏振片和第一四分之一波片的组合，或第二偏振片和第二四分之一波片的组合的一种示意图，参考图3，每一个图案填充的圆圈代表一种第一偏振片和第一四分之一波片的组合，或代表一种第二偏振片和第二四分之一波片的组合。第一偏振片和第一四分之一波片以方位角组合固定的方式集成在一块版上，第二偏振片和第二四分之一波片以方位角组合固定的方式集成在一块版上。通过沿行方向平移版得到不同的偏振态。
图4为将第一偏振片和第一四分之一波片的组合，或第二偏振片和第二四分之一波片的组合的另一种示意图，参考图4，每一个图案填充的圆圈代表一种第一偏振片和第一四分之一波片的组合，或代表一种第二偏振片和第二四分之一波片的组合。第一偏振片和第一四分之一波片以方位角组合固定的方式集成在一块版上，第二偏振片和第二四分之一波片以方位角组合固定的方式集成在一块版上。通过沿阵列的行方向和列方向平移版得到不同的偏振态。
图5为将第一偏振片和第一四分之一波片的组合，或第二偏振片和第二四分之一波片的组合的另一种示意图，参考图5，每一个图案填充的圆圈代表一种第一偏振片和第一四分之一波片的组合，或代表一种第二偏振片和第二四分之一波片的组合。第一偏振片和第一四分之一波片以方位角组合固定的方式集成在一块版上，第二偏振片和第二四分之一波片以方位角组合固定的方式集成在一块版上。通过旋转版得到不同的偏振态。
可选地，参考图2，偏振态检测单元PSA包括第二偏振片6和第二四分之一波片5，第二偏振片6位于探测器7与第二四分之一波片5之间的光路上。
示例性地，第二四分之一波片5、第二偏振片6与探测器7在一条直线上，第二偏振片6位于探测器7与第二四分之一波片5之间。可以在第二四分之一波片5与第二偏振片6上至少安装一个旋转电机，用于改变第二偏振片6相对于第二四分之一波片5晶轴(包括快轴和慢轴)的方位角。偏振态检测单元PSA可以生成至少3种不同的偏振态。在其他实施方式中，偏振态检测单元PSA包括多个第二偏振片6和多个第二四分之一波片5，一个第二偏振片6和一个第二四分之一波片5以设定方位角组合，不同的第二偏振片6以及第二四分之一波片5具有不同的方位角组合，多个第二偏振片6和多个第二四分之一波片5以不同方位角组合且集成在一块版上。
图6为偏振元件沿x方向的透过率随样品方位角的一种示意图，图7为偏振元件沿y方向的透过率随样品方位角的一种示意图，图8为偏振元件的相位延迟随样品方位角的一种示意图，图6、图7和图8使用的是如图2所示的测量装置，并通过旋转偏振元件4得到从0度到180度的样品方位角(样品方位角指的是待测的偏振元件4的方位角)下x方向的透过率tx(图6中纵坐标以“Tx”表示)，y方向的透过率ty(图7中纵坐标以“Ty”表示)及相位延迟Δ(图8中纵坐标以“相位”表示)。参考图6、图7和图8，待测的偏振元件为1/6波片，其理想参数为：x方向透过率tx＝0.86，y方向透过率ty＝0.81，相位延迟Δ＝60°。最终的测量值取tx，ty及Δ在各个样品方位角下的平均值，从图6和图7可以看出透过率的测量精度优于10-5数量级，而相位延迟的测量精度优于10-3数量级，测量精度非常高。其中，测量精度定义为偏振元件的理想值和测量值之差。据分析，所有的测量误差只来自于探测器的噪声、选取光源的能量稳定性及探测器的均一性。探测器的噪声为0.3％。
图9为偏振元件沿x方向的透过率随测试次数的示意图，图10为偏振元件沿y方向的透过率随测试次数的示意图，图11为偏振元件的相位延迟随测试次数的示意图，图9、图10和图11使用的是如图2所示的测量装置，并在一固定的样品方位角下进行多次的测量下得到x方向的透过率tx(图9中纵坐标以“Tx”表示)，y方向的透过率ty(图10中纵坐标以“Ty”表示)及相位延迟Δ(图11中纵坐标以“相位”表示)。参考图9、图10和图11，通过多次测量，减小随机误差，最终的测量值取tx，ty及Δ在各个样品方位角下的平均值，可以看出透过率的测量精度优于10-3数量级，而相位延迟的测量精度优于10-1数量级，测量精度较高。
图12为本发明实施例提供另一种偏振元件的测量装置的示意图，参考图12，测量装置还包括分光棱镜8和反射镜9，分光棱镜8位于偏振态生成单元PSG与反射镜9之间，偏振元件4位于分光棱镜8与反射镜9之间。光源1发出的光束经过偏振态生成单元PSG后，穿过分光棱镜8，然后经过偏振元件4后照射到反射镜9上，被反射镜9反射后再次穿过偏振元件4，然后被分光棱镜8反射至偏振态检测单元PSA，并最终投射至探测器7。其中，分光棱镜8可以为非偏振的分光棱镜。
图13为本发明实施例提供另一种偏振元件的测量装置的示意图，参考图13，测量装置还包括分光棱镜8和反射镜9，分光棱镜8位于偏振态检测单元PSA与反射镜9之间，偏振元件4位于分光棱镜8与反射镜9之间。光源1发出的光束经过偏振态生成单元PSG后，被分光棱镜8反射后，经过偏振元件4，然后照射到反射镜9上，被反射镜9反射后再次穿过偏振元件4，然后穿过分光棱镜8以及偏振态检测单元PSA，并最终投射至探测器7。
可选地，参考图12和图13，偏振元件4的相对两个表面相互平行，偏振元件4例如可以为偏振片或者波片。反射镜9为平面反射镜。
示例性地，光源1发出平行光，平行光经过偏振态生成单元PSG后，被分光棱镜8反射后，并垂直照射到偏振元件4的表面，穿过偏振元件4的光束也为平行光。偏振元件4的相对两个表面相互平行时，偏振元件4在正常的使用过程中光束多为垂直于偏振元件4的表面照射，因此在测量中使光源1发出光垂直入射到偏振元件4的表面，可以提高偏振元件4的检测精度。
图14为偏振元件沿x方向的透过率随样品方位角的另一种示意图，图15为偏振元件沿y方向的透过率随样品方位角的另一种示意图，图16为偏振元件的相位延迟随样品方位角的另一种示意图，图14、图15和图16使用的是如图12所示的测量装置，并通过旋转偏振元件4得到从0度到180度的样品方位角(样品方位角指的是待测的偏振元件的方位角)下x方向的透过率tx(图14中纵坐标以“Tx”表示)，y方向的透过率ty(图15中纵坐标以“Ty”表示)及相位延迟Δ(图16中纵坐标以“相位”表示)。，参考图14、图15和图16，待测的偏振元件为1/6波片，其理想参数为：x方向透过率tx＝0.86，y方向透过率ty＝0.81，相位延迟Δ＝60°。最终的测量值取tx，ty及Δ在各个样品方位角下的平均值，从图14和图15可以看出透过率的测量精度优于10-5数量级，而相位延迟的测量精度优于10-2数量级，测量精度非常高。其中，测量精度定义为偏振元件的理想值和测量值之差。据分析，所有的测量误差只来自于探测器的噪声、分光棱镜和反射镜的相位以及反射率误差。其中，光源稳定性和探测器的噪声输入为0.3％，相位误差为2°，反射率误差为0.1％。
图17为本发明实施例提供另一种偏振元件的测量装置的示意图，图17与图12的区别在于，反射镜9为球面反射镜，参考图17，偏振元件4的焦距为有限长度的焦距，偏振元件4例如可以为凹透镜或者凸透镜。反射镜9为球面反射镜，球面反射镜的球心与偏振元件4的焦点重合。通过偏振元件4的光束在到达球面反射镜后会沿着原光路返回。这样既能保证经过偏振态检测单元PSA的光束为平行光，而且使光束垂直入射至球面反射镜。根据菲涅尔公式，在光束垂直入射时，s光和p光的光程和反射率一致，因此当球面反射镜的球心和偏振元件的焦点重合时，不会引入额外的偏振像差，提高了偏振特性的测量精度。
图18为本发明实施例提供另一种偏振元件的测量装置的示意图，图18与图13的区别在于，反射镜9为球面反射镜，参考图18，偏振元件4的焦距为有限长度的焦距，偏振元件4例如可以为凹透镜或者凸透镜。反射镜9为球面反射镜，球面反射镜的球心与偏振元件4的焦点重合，不会引入额外的偏振像差，提高了偏振特性的测量精度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (15)

1.一种偏振元件的测量方法，其特征在于，包括：
获取未放置所述偏振元件时的空气光强矩阵Iair；
获取放置所述偏振元件后穿过所述偏振元件的样品光强矩阵Ii；其中，所述样品光强矩阵Ii为矩阵Mi的函数，矩阵Mi为以穆勒矩阵表示所述偏振元件偏振特性的矩阵中不含旋转部分的矩阵；
根据所述空气光强矩阵Iair以及所述样品光强矩阵Ii获取中转关联矩阵Ci，以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系；
根据中转关联矩阵Ci以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系，获取所述偏振元件的透过率和相位延迟。
2.根据权利按要求1所述的测量方法，其特征在于，
Iair＝AW；
Ii＝AMsampleW＝AR(θ)MiR(-θ)W；
Figure FDA0002252472840000011
其中，A为q种偏振态检测单元的穆勒矩阵中第一行向量拼接成的矩阵；W为n种偏振态生成单元的偏振态由斯托克斯列向量表示时拼接成的矩阵；q和n均为大于或者等于3的正整数；R(θ)和R(-θ)均为4×4的旋转矩阵；Msample为所述偏振元件的穆勒矩阵；中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值相同。
3.根据权利按要求1所述的测量方法，其特征在于，
Iair＝AMmirrorW；
Figure FDA0002252472840000012
Figure FDA0002252472840000013
其中，A为q种偏振态检测单元的穆勒矩阵中第一行向量拼接成的矩阵；W为n种偏振态生成单元的偏振态由斯托克斯列向量表示时拼接成的矩阵；q和n均为大于或者等于3的正整数；Mmirror为反射镜的穆勒矩阵；R(θ)和R(-θ)均为4×4的旋转矩阵；
Figure FDA0002252472840000021
为光束逆向入射所述偏振元件时的穆勒矩阵；
Figure FDA0002252472840000022
为光束正向入射所述偏振元件时的穆勒矩阵；中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值的平方相同。
4.根据权利按要求1所述的测量方法，其特征在于，获取所述偏振元件的透过率和相位延迟包括：
获取所述偏振元件沿x方向上的透过率tx，获取所述偏振元件沿y方向上的透过率ty，以及获取所述偏振元件的相位延迟；其中，所述x方向为所述偏振元件的亮轴的延伸方向，所述y方向为所述偏振元件的暗轴的延伸方向；或者，所述x方向为所述偏振元件的暗轴的延伸方向，所述y方向为所述偏振元件的亮轴的延伸方向；
在根据中转关联矩阵Ci以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系，获取所述偏振元件的透过率和相位延迟之后，所述测量方法还包括：
获取所述偏振元件的亮轴以及暗轴；
将所述偏振元件的亮轴标定为tx和ty中的最大值，将所述偏振元件的暗轴标定为tx和ty中的最小值；
获取所述偏振元件的相位延迟的正负性。
5.一种偏振元件的测量装置，其特征在于，包括：
光源；
偏振态生成单元，位于所述光源的出射光路上，用于产生任意偏振态的光；
偏振态检测单元，位于所述偏振态生成单元的出射光路上，用于对入射到所述偏振态检测单元的光进行调制；所述偏振元件位于所述偏振态生成单元与所述偏振态检测单元之间的光路上；
探测器，位于所述偏振态检测单元的出射光路上，用于探测入射到所述探测器上的光强度；
测量单元，与所述探测器通讯连接，用于获取未放置所述偏振元件时的空气光强矩阵Iair；获取放置所述偏振元件后穿过所述偏振元件的样品光强矩阵Ii；其中，所述样品光强矩阵Ii为矩阵Mi的函数，矩阵Mi为以穆勒矩阵表示偏振元件偏振特性的矩阵中不含旋转部分的矩阵；根据所述空气光强矩阵Iair以及所述样品光强矩阵Ii获取中转关联矩阵Ci，以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系；根据中转关联矩阵Ci以及中转关联矩阵Ci本征值与矩阵Mi本征值之间的关系，获取所述偏振元件的透过率和相位延迟。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述偏振元件位于所述偏振态生成单元与所述偏振态检测单元之间。
7.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，还包括分光棱镜和反射镜，所述分光棱镜位于所述偏振态生成单元与所述反射镜之间；所述偏振元件位于所述分光棱镜与所述反射镜之间。
8.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，还包括分光棱镜和反射镜，所述分光棱镜位于所述偏振态检测单元与所述反射镜之间；所述偏振元件位于所述分光棱镜与所述反射镜之间。
9.根据权利要求7或者8所述的测量装置，其特征在于，所述偏振元件的相对两个表面相互平行；所述反射镜为平面反射镜。
10.根据权利要求7或者8所述的测量装置，其特征在于，所述偏振元件的焦距为有限长度的焦距；所述反射镜为球面反射镜，所述球面反射镜的球心与所述偏振元件的焦点重合。
11.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述偏振态生成单元包括第一偏振片和第一四分之一波片，所述第一偏振片位于所述光源与所述第一四分之一波片之间的光路上。
12.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述偏振态检测单元包括第二偏振片和第二四分之一波片，所述第二偏振片位于所述探测器与所述第二四分之一波片之间的光路上。
13.根据权利要求11所述的测量装置，其特征在于，所述偏振态生成单元还包括至少一个旋转电机，所述旋转电机用于改变所述第一偏振片相对于所述第一四分之一波片晶轴的方位角；或者，所述偏振态生成单元包括多个所述第一偏振片和多个所述第一四分之一波片，一个所述第一偏振片和一个所述第一四分之一波片以设定方位角组合，不同的所述第一偏振片以及所述第一四分之一波片具有不同的方位角组合，多个所述第一偏振片和多个所述第一四分之一波片以不同方位角组合且集成在一块版上。
14.根据权利要求12所述的测量装置，其特征在于，所述偏振态检测单元还包括至少一个旋转电机，所述旋转电机用于改变所述第二偏振片相对于所述第二四分之一波片晶轴的方位角；或者，
所述偏振态检测单元包括多个所述第二偏振片和多个所述第二四分之一波片，一个所述第二偏振片和一个所述第二四分之一波片以设定方位角组合，不同的所述第二偏振片以及所述第二四分之一波片具有不同的方位角组合，多个所述第二偏振片和多个所述第二四分之一波片以不同方位角组合且集成在一块版上。
15.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述偏振态生成单元和所述偏振态检测单元生成至少3种不同的偏振态。
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