CN113574444B - 偏振分离装置和包括该装置的差分干涉仪和差分对比度光学显微镜 - Google Patents

偏振分离装置和包括该装置的差分干涉仪和差分对比度光学显微镜 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于接收入射光束(100)的偏振分离装置。根据本发明，该装置包括具有第一光学中心(O1)、第一光轴(Z1)和第一焦距(F1)的第一几何相位透镜(L1)和具有第二光学中心(O2)、第二光轴(Z2)和第二焦距(F2)的第二几何相位透镜(L2)，第一几何相位透镜和第二几何相位透镜根据第一光轴(Z1)彼此分开第一距离(D)，第一几何相位透镜(L1)和第二几何相位透镜(L2)被设置成对于第一圆偏振态具有相同符号的光焦度，并且对于与第一圆偏振态正交的另一圆偏振态具有相反符号的光焦度，该装置被配置和引导成使得第一光学中心(O1)根据第一光轴(Z1)在第二几何相位光学透镜(L2)上的投影(P1)位于距第二光学中心(O2)非零第二距离(e)处。

Description

偏振分离装置和包括该装置的差分干涉仪和差分对比度光学 显微镜
技术领域
本发明总体上涉及偏振分离光学部件领域。
更具体地，本发明涉及偏振分离装置以及包括该装置的差分干涉仪和差分对比度显微镜(differential contrast microscope)。
背景技术
偏振分离装置是允许根据不同的偏振态将入射光束分成两个偏振分量的光学部件。
例如，已知偏振分离装置包括罗雄棱镜(Rochon prism)和沃拉斯顿棱镜(Wollaston prism)。它们基于由双折射材料制成的两个棱镜的使用。这些棱镜将入射光束分成两个出射光束，每个出射光束具有线性偏振，并且这两个出射光束的偏振是正交的。两个出射光束之间的角度取决于形成棱镜的材料的双折射特性、双折射轴相对于棱镜表面的取向以及棱镜的角度。
诺曼斯基(Nomarski)棱镜是沃拉斯顿棱镜的变体。它们允许获得入射光束到两个线性偏振的角度分离，但是也在空间上限定了彼此正交偏振的两个出射光束的交点。
偏振分离立方体(也称为“MacNeille(麦克尼尔)立方体”)是另一种类型的偏振分离装置。它们包括由各向同性材料制成并通过其斜边连接的两个棱镜。斜边包括具有取决于入射偏振的反射和透射特性的涂层。
然而，对于所有这些偏振分离装置，出射光束的分离角是由构造给出的。一旦制造部件，就不可能调整该分离角度。此外，基于棱镜的这些部件具有显著的厚度，因为它们涉及相对于入射光束倾斜的表面。由于基于棱镜的这些部件的截面有限，因此出射光束的截面也具有有限的尺寸。最后，在这些部件的输出端，出射光束具有线性偏振。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种薄的偏振分离装置，其分离角易于调节。
更具体地，根据本发明，提供了一种用于接收入射光束的偏振分离装置。根据本发明，该装置包括：第一几何相位透镜，其具有第一光学中心、第一光轴和用于第一圆偏振态的正第一焦距，以及用于与第一圆偏振态正交的另一圆偏振态的相反焦距；以及第二几何相位透镜，其具有第二光学中心，第二光轴和用于第一圆偏振态的正第二焦距，以及用于另一圆偏振态的相反焦距，第一光轴和第二光轴形成小于几度的角度，第一几何相位透镜和第二几何相位透镜根据第一光轴彼此分开第一距离。根据本发明，该装置被配置和引导成使得第一光学中心根据第一光轴在第二几何相位光学透镜上的投影位于距第二光学中心非零第二距离处，所述第一距离小于所述第一焦距和所述第二焦距。
因此，根据本发明，在第一几何相位透镜的第一光学中心与第二几何相位透镜的第二光学中心之间引入横向偏移。根据它们的性质，两个几何相位透镜允许分离光束的两个左右圆偏振分量。通过构造，这两个分量在根据本发明的装置的输出端处被转向确定的分离角，该分离角将取决于两个光学中心之间的横向偏移。由于本发明，该偏移是可调节的，因此允许通过横向于光轴移动第二几何相位透镜来调节对应于两个圆偏振分量的两个光束之间的分离角。根据本发明，两个几何相位透镜的组合因此有利于允许调节装置输出端的偏振分离角。此外，几何相位透镜的较小厚度允许获得薄装置。
单独考虑或根据任何技术上可行的组合考虑、根据本发明的偏振分离装置的其他非限制性和有利特征如下：
-第一焦距和第二焦距的差值小于或等于10％；
-第二光轴相对于第一光轴偏移第二距离；
-在第一几何相位透镜与第二几何相位透镜之间提供平移装置，所述平移装置适于根据横向于第一光轴的方向相对于第一光学中心偏移第二光学中心；
-第一光轴相对于所述装置上的入射光束的传播轴形成角度；
-提供用于旋转第一几何相位透镜和第二几何相位透镜的装置，第一几何相位透镜和第二几何相位透镜保持彼此平行，所述旋转装置适于相对于入射光束同时倾斜所述第一几何相位透镜和第二几何相位透镜；
-第一距离小于第一焦距和第二焦距的20％；
-第一几何相位透镜和/或第二几何相位透镜具有球面或柱面光焦度(sphericalor cylindrical optical power)；
-提供发散光学透镜；
-提供四分之一波推迟板(quarter-wave delay plate)；以及
-提供具有第三光学中心、第三光轴和第三焦距的第三几何相位透镜，以及具有第四光学中心、第四光轴和第四焦距的第四几何相位透镜，第三几何相位透镜和第四几何相位透镜被设置成对于第一圆偏振态具有相同符号的光焦度并且对于另一圆偏振态具有相反符号的光焦度，第三光轴和第四光轴与第一光轴形成小于几度的角度，第三几何相位透镜和第四几何相位透镜根据第三光轴彼此分开第三距离，第三光学中心根据第三光轴在第四几何相位透镜上的投影位于距第四光学中心非零第四距离处，所述第三距离小于所述第三焦距和所述第四焦距。
本发明还提供了一种包括如前所述的偏振分离装置的差分干涉仪。
本发明还提供了一种包括如前所述的偏振分离装置的差分对比度光学显微镜。
附图说明
作为非限制性示例提供的参考附图的以下描述将阐述本发明的目的以及可以实现本发明的方式。
在附图中：
[图1]是根据本发明的偏振分离装置的不同元件的示意图，
[图2]是根据本发明的偏振分离装置的第一示例的示意图，
[图3]是根据本发明的偏振分离装置的第二示例的示意图，
[图4]是根据本发明的第一偏振分离装置或第二偏振分离装置的变体的示意图，
[图5]是根据本发明的偏振分离装置的另一示例的示意图，
[图6]是包括根据本发明的偏振分离装置的差分干涉测量系统的第一示例的示意图，
[图7]是包括根据本发明的偏振分离装置的差分干涉测量系统的第二示例的示意图，以及
[图8]是根据本发明的偏振分离装置的示意图，该偏振分离装置旨在例如集成在差分对比度显微镜中。
具体实施方式
本发明涉及偏振分离装置1(以后也称为装置1)。
在本说明书中，介绍了一种称为“几何相位透镜”的光学部件。几何相位透镜由几何相位全息图和/或液晶制成。几何相位透镜的制造在Kathryn J.Hornburg(凯瑟琳J.霍恩伯格)等人的文件“优化非球面几何相位透镜以改善视野”(SPIE光学工程和应用，会议论文集第10743卷，光学建模和性能预测X；1074305,2018)中有所描述。
几何相位透镜由液晶制成。根据液晶的取向布局，在部件的每个点处定义不同的相位。
关于这些部件的操作，考虑穿过这些几何相位透镜之一的光束。众所周知，光束可以分解成右圆偏振分量和左圆偏振分量。根据其设计，对于圆偏振中的一种(例如右圆偏振)，几何相位透镜的行为类似于焦距为+f的会聚透镜。对于另一种偏振(在此为左圆偏振)，几何相位透镜的行为类似于焦距为–f的发散透镜。换言之，几何相位透镜具有用于圆偏振的正光焦度和用于另一种圆偏振的负光焦度。此外，在穿过几何相位透镜时，右圆偏振态转变为左圆偏振态，反之亦然。
一个单一的几何相位透镜不允许在空间上分离两个正交的圆偏振。通常，几何相位透镜在给定的波长范围内运行，例如包括在450和600nm之间。
例如，在本发明中使用的几何相位透镜是由Edmund Optics(艾德蒙光学)公司或ImagineOptix(想象光学)公司以“偏振定向平面透镜”的名义商品化的部件类型。
实际上，几何相位透镜具有平坦的外观，也就是说没有任何物理曲率半径。几何相位透镜的厚度较小，通常在0.4毫米(mm)的范围内。几何相位透镜的直径通常在25mm的范围内。例如，几何相位透镜的表面积为120×120mm2。
图1表示根据本发明的用于接收入射光束100的偏振分离装置1的不同元件。通常，该入射光束100是准直的。可替换地，入射光束100在装置1的输入端处是不准直的。
装置1包括第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2。可选地，装置1包括第一几何相位透镜L1与第二几何相位透镜L2之间的平移装置5和/或用于旋转第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2的装置7、透镜9和/或四分之一波推迟板11。
如图2至4所示，第一几何相位透镜L1具有第一光学中心O1、第一光轴Z1和第一焦距F1。第一光轴Z1正交于第一几何相位透镜L1的平面，并穿过第一光学中心O1。第二几何相位透镜L2具有第二光学中心O2、第二光轴Z2和第二焦距F2。第二光轴Z2正交于第二几何相位透镜L2的平面，并穿过第二光学中心O2。优选地，第一焦距F1和第二焦距F2等于焦距F以保持光束准直。如果第一焦距F1和第二焦距F2不同但接近，例如相差小于或等于10％，则该装置也运行。
在此，第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2具有球面光焦度。第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2对于圆偏振是会聚的，而对于另一圆偏振是发散的。在这种情况下，第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2分别聚焦在第一光轴Z1上的焦点F1和–F1以及第二光轴Z2上的焦点F2和–F2。可替换地，第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2具有柱面光焦度，同时对于圆偏振是会聚的，而对于另一圆偏振是发散的。在具有柱面光焦度的透镜的情况下，例如在第一几何相位透镜L1具有柱面光焦度的情况下，具有平行于第一光轴Z1的轴的准直入射光束根据与第一光轴Z1正交的线段穿过圆偏振的焦点F1聚焦，并且根据与第一光轴Z1正交的另一线段穿过另一圆偏振的焦点–F1聚焦。无论它们具有球面光焦度还是柱面光焦度，这些几何相位透镜都具有不同的几何像差，就像球面或柱面常规透镜被称为非球面或非柱面透镜一样。根据它们的设计，几何相位透镜可能具有较小的几何像差。几何相位透镜也可以针对预定光谱带上的色差进行校正。
第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2位于同一方向。
第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2根据第一光轴Z1彼此接触或分开第一距离D。实际上，该第一距离D小于第一焦距F1和第二焦距F2。例如，第一距离D小于第一焦距F1和第二焦距F2的20％。优选地，第一距离D例如小于第一焦距F1和第二焦距F2的10％。换言之，第一距离D尽可能小。在第一焦距F1和第二焦距F2等于焦距F的情况下，第一距离D小于焦距F，实际上小于焦距F的20％。优选地，第一距离D小于焦距F的10％。优选地，第一距离D是非零，以避免在第一几何相位透镜L1与第二几何相位透镜L2之间形成干涉。在图2中，第一距离D例如在0.5mm的范围内。
通常，第一光轴Z1和第二光轴Z2形成小于几度的角度。在下文中，第一光轴Z1和第二光轴Z2例如平行。
装置1被配置成使得第二光学中心O2相对于第一光学中心O1根据第一光轴Z1在第二几何相位透镜L2上的投影P1偏移第二距离e，该第一光轴Z1横向于由图2至4中表示的正交参考系XYZ定义的轴Z(因此在这种情况下，第二距离e是固定的)。
例如，第二距离e可以在制造装置1时固定。
可选地，装置1还包括在第一几何相位透镜L1与第二几何相位透镜L2之间的平移装置5。平移装置5适于根据横向于第一光轴Z1的方向(例如，在第一光轴Z1和第二光轴Z2平行的情况下，还横向于第二光轴Z2)调整第二距离e。实际上，平移装置5因此适于根据横向于第一光轴Z1的方向将第二几何相位透镜L2偏移第二距离e。在该示例中，第一光学中心O1根据第一光轴Z1在第二几何相位透镜L2上的投影P1位于距第二光学中心O2的第二距离e处。在这种情况下，第二距离e例如在5mm的范围内。
可选地，装置1包括所谓的补偿透镜(其功能在下文中解释)。例如，该透镜9是发散的常规透镜。如图5所示，透镜9位于第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2之后。可替换地，透镜9可以位于装置1的输入端。
仍然可选地，装置1包括四分之一波推迟板11。如图6和图7所示，四分之一波推迟板11位于第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2之后，在此位于补偿透镜9之后。
图2表示根据本发明的偏振分离装置1的第一实施例。优选地，第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2具有相同的焦距F。例如，焦距F包括在40和100mm之间，通常在50mm的范围内。
在此，第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2彼此接触或靠近放置。因此，第一几何相位透镜L1与第二几何相位透镜L2之间的第一距离D与焦距F相比较小。例如，第一距离D在3mm的范围内。
在该第一实施例中，入射光束100的传播方向平行于第一光轴Z1和第二光轴Z2。
根据该第一实施例，第二光学中心O2在横向于入射光束100的传播轴的方向(其平行于第一光轴Z1和第二光轴Z2)上相对于第一光轴Z1偏移第二距离e。第二距离e在100μm和几毫米之间。
例如如图2所示，由于平移装置或通过构造，在第二距离e通过构造固定的情况下，第二光轴Z2相对于第一光轴Z1偏移第二距离e。第二光轴Z2相对于第一光轴Z1的偏移方向也是从正交参考系XYZ中第二光学中心O2相对于第一光轴Z1的位置定义的。例如，偏移方向从第二光学中心O2在正交于轴Z的平面XY中的位置定义。可替换地，偏移方向可以从第二光学中心O2相对于入射光束100的传播轴的位置定义。
实际上，当考虑例如入射光束100的右圆偏振分量时，通过其操作和取向，第一几何相位透镜L1表现得例如像焦距为F的会聚透镜。反过来，第二几何相位透镜L2被引导以表现得像焦距为-F的发散透镜，用于左圆入射偏振。换言之，第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2被设置成对于第一圆偏振态具有相同符号的光焦度，并且对于与第一圆偏振态正交的另一圆偏振态具有相反符号的光焦度。
在第一几何相位透镜L1的输出端，入射光束100的右圆偏振分量通过第一几何相位透镜L1的特性而转换成具有左圆偏振的第一中间光束115。第一中间光束115聚焦在焦点F1的平面中。由于焦点F1靠近第二几何相位透镜L2的焦点F2，后者形成大致准直的第二偏振光束120。由于焦点F1与焦点F2之间存在第二距离e的偏移，第二偏振光束120根据轴O2F1成角度地转向。因此，该第一中间光束115通过第二几何相位透镜L2的特性而转换成具有直角圆偏振的第二偏振光束120。
几何光学定律允许绘制入射光束100的右圆偏振分量的演变，以便获得具有右圆偏振的第二偏振光束120。右圆偏振分量的路径在图2中用实线表示。
对称地，当考虑入射光束100的左圆偏振分量时，第一几何相位透镜L1表现得像焦距为-F的发散透镜。反过来，第二几何相位透镜L2表现得像焦距为F的会聚透镜。
在第一几何相位透镜L1的输出端，入射光束100的左圆偏振分量通过聚焦在焦点-F1平面上的第一几何相位透镜L1的特性而转换成具有右圆偏振的第二中间光束105。之后，该第二中间光束105被转换成第一偏振光束110，该第一偏振光束110通过第二几何相位透镜L2的特性而表现为左圆偏振。第二中间光束105聚焦在焦点-F1的平面中。由于焦点-F1靠近第二几何相位透镜L2的焦点-F2，后者形成大致准直的第一偏振光束110。由于焦点F1与焦点F2之间存在第二距离e的偏移，因此第一偏振光束110根据平面YZ中的轴-F1O2成角度地转向。偏转角在e/F的范围内。
几何光学定律允许绘制左圆分量的演变，以便获得具有左圆偏振的第一偏振光束110。左圆偏振分量的路径在图2中用虚线表示。
如图2所示，有利地根据本发明，入射光束100成角度地分成第一偏振光束110和第二偏振光束120。有利地根据本发明，第一偏振光束110和第二偏振光束120具有正交偏振。在此例如，第一偏振光束110具有左圆偏振，第二偏振光束120具有右圆偏振。在第一偏振光束110与第二偏振光束120之间限定分离角δ。该分离角δ取决于第二距离e和焦距F。对于与焦距F相比太小的第一距离D以及与焦距F相比太小的第二距离e，分离角δ近似由以下关系式给出：
【数学式1】
根据本发明，入射光束100的右圆偏振和左圆偏振的分离平面平行于入射光束100的传播轴以及连接第一光学中心O1和第二光学中心O2的线。
在50mm范围内的焦距F的示例中，角分离定律然后输出在40mrad/mm(或2.3deg/mm)范围内的两个偏振光束之间的偏移δ/e。
因此，通过改变第一光学中心O1和第二光学中心O2之间的第二距离e，可以调整分离角δ。实际上，通过移动第二几何相位透镜L2可以调整分离角δ，从而改变第二距离e。根据本发明，与已知的具有固定分离角的偏振分离器相比，两个几何相位透镜的组合有利于允许在装置1的输出端处调整偏振分离角。平面XY中的第二距离e相对于第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2的相对位置的取向还允许引导偏振光束110、120的分离平面。实际上，在包含第一光轴Z1和第二光轴Z2的平面中观察到偏振光束110、120的分离。此外，由于几何相位透镜的体积小，因此偏振分离装置1很薄。例如，装置1的厚度小于1.5mm，通常在1.3mm的范围内(相对于已知装置的大约20mm)。
根据本发明的装置1适于操纵大截面光束，这对于成像应用是有用的，而不会增加体积厚度。例如，根据本发明的偏振分离装置包括直径为25mm、厚度为0.4mm、放置在0.5mm处且光轴偏移5mm的两个几何相位透镜，因此总厚度为1.3mm，允许对直径为20mm的光束进行偏振分离。通常，允许处理这种光束的已知偏振分离器具有20mm范围内的厚度。
图3表示根据本发明的偏振分离装置1的第二实施例。
可选地，装置1还包括用于旋转第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2的装置7。旋转装置7适于同时倾斜第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2，使得第一光轴Z1相对于入射光束100的传播轴形成角度θ。旋转装置7在第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2同时旋转期间保持它们彼此平行。
根据该第二实施例，可以仅通过第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2的联合倾斜来获得第一光学中心O1和第二光学中心O2之间引入的偏移。在图3所示的示例中，第一光轴Z1和第二光轴Z2重合。第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2例如通过旋转装置7同时倾斜，以便在入射光束100的传播轴与第一光轴Z1(在此其与第二光轴Z2重合)之间引入倾斜角θ1。因此，入射光束100的传播方向相对于第一光轴Z1和第二光轴Z2倾斜了倾斜角θ1。倾斜角θ1在0和90度之间(也就是说在0和1.57弧度之间)，优选小于20度(在倾斜角小的情况下)。
第二光学中心O2相对于第一光学中心O1根据第一光轴Z1在第二几何相位透镜L2上的投影P1偏移第二距离e，该第一光轴Z1横向于由正交参考系XYZ定义的轴Z。
在这种情况下，对应于第一光学中心O1根据第一光轴Z1在第二几何相位透镜L2上的投影P1，由第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2的联合旋转引入的偏移量等于D.tan(θ1)。最后，分离角δ由以下近似关系式给出：
【数学式2】
对于3mm范围内的第一距离D和小的倾斜角θ1值(在几度的范围内，实际上小于20度)，角分离定律δ/θ1在0.12的范围内。
在该示例中，入射光束100的右圆偏振和左圆偏振的分离平面平行于入射光束100的传播轴以及连接第一光学中心O1和第二光学中心O2的线。
可替换地，在第一光学中心O1与第二光学中心O2之间引入的偏移可以通过前面引入的横向偏移以及第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2相对于入射光束100的联合倾斜的组合来获得。第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2通过旋转装置7同时倾斜，以便在入射光束100的传播轴与第一光轴Z1之间引入倾斜角θ1。由于第一光轴Z1与第二光轴Z2平行，因此在入射光束100的传播轴与第二光轴Z2之间观察到相同的角度θ1。倾斜角θ1在0°和90°之间(也就是说在0和1.57弧度之间)，优选小于20°(在倾斜角小的情况下)。
图4表示根据本发明的偏振分离装置1的这种变体。其对应于第一实施例的变体，其中由第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2形成的组是倾斜的。换言之，第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2在横向于入射光束100的传播轴的方向上偏移第二距离e1，然后例如通过旋转装置7倾斜，使得入射光束100的传播轴和第一光轴Z1形成另一倾斜角θ2。因此，入射光束100的传播方向相对于第一光轴Z1和第二光轴Z2倾斜另一倾斜角θ2。实际上，倾斜角θ2小于20°。
在这种情况下，由第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2的联合旋转引入的第一光学中心O1的投影P1与第二光学中心O2之间的偏移量等于D.tan(θ2)。最后，第一偏振光束110与第二偏振光束120之间的分离角δ由以下关系式给出：
【数学式3】
第二距离e1可以通过构造固定。有利地，由于第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2的联合倾斜，该变体允许以较低的成本在横向方向上引入第一几何相位透镜L1与第二几何相位透镜L2之间的可调偏移。
如前所述和图5所示，装置1可以可选地包括透镜9。该透镜9适于补偿由第一几何相位透镜L1与第二几何相位透镜L2之间的第一距离D量化的纵向距离引起的散焦现象。然后，该透镜9允许确保偏振光束也是准直的，也就是说曲率半径无限大。选择透镜9以限制在装置1的输出端处引入像差。例如，透镜9是发散的常规透镜。
实际上，第一几何相位透镜L1与第二几何相位透镜L2之间的第一距离D可以在第一偏振光束110与第二偏振光束120之间散焦的原点。
两个偏振光束之间的相对散焦Δ取决于与每个偏振相关的曲率半径，并表示为两个相应光焦度之间的偏差。
实际上，关于入射光束100的右圆偏振分量(例如由图5所示的光源2发射)，相关的曲率半径由以下关系式给出：
【数学式4】
关于入射光束100的左圆偏振分量，相关的曲率半径由以下关系式给出：
【数学式5】
因此，可能要补偿的相对散焦Δ由以下关系式给出：
【数学式6】
确定透镜9的焦距，以便减小确定的相对散焦Δ。在此，透镜9对偏振光束的偏振和角间距δ没有影响。
例如，对于等于F＝50mm的几何相位透镜焦距和等于D＝3mm的两个几何相位透镜之间的纵向距离，与两个偏振相关的曲率半径在以下范围内：R1＝-783mm和R2＝-883mm。相关的相对散焦Δ在以下范围内：Δ＝0.146屈光度。例如，焦距f＝-1000mm的发散透镜9在输出端与第二几何相位透镜L2相对放置。然后校正后的曲率半径估计为：R1＝-3608mm和R2＝-7547mm。
可替换地，可以确定第一距离D的值，以便补偿相对散焦Δ。为此，可以预先固定平均曲率半径Rav的值。选择该固定值，以便能够由选择的透镜进行补偿。平均曲率半径由以下关系式给出：
【数学式7】
第一距离D由平均曲率半径Rav的固定值确定。例如，对于固定在Rav＝1000mm且几何相位透镜的焦距等于F＝50mm的平均曲率半径Rav的值，获得的第一距离D等于D＝2.5mm。与两种偏振相关的曲率半径等于：R1＝950mm和R2＝1050mm。引入焦距等于f＝-1000mm的发散透镜9，校正后的曲率半径等于：R1＝-19000mm和R2＝21000mm，从而允许减小相对散焦Δ)。
偏振分离装置2还可以可选地包括四分之一波推迟板11。四分之一波推迟板位于第二几何相位透镜L2的输出端。四分之一波推迟板11允许将正交圆偏振转换成正交线性偏振。因此，获得偏振分离装置，其将入射光束成角度地分离成具有正交线性偏振的两个光束。因此，两个几何相位透镜和四分之一波推迟板的组合允许以薄装置的形式复制沃拉斯顿棱镜的功能。
在差分干涉测量的应用中，四分之一波推迟板能够重新组合偏振光束，例如在这些光束在待研究表面上反射的情况下。
当偏振分离装置1集成在差分干涉测量系统中时尤其如此(图6和图7)。这种技术允许测量两个光路的相对变化。例如，在监测表面20的等离子体蚀刻或侵蚀的情况下，偏振光束中的一个被侵蚀区域22反射，另一个偏振光束被等离子体的保护区域25反射。
在这种情况下，装置1用作反射光束的组合器，并且为了使这些光束不被装置1再次分开，四分之一波推迟板11允许在正向与反向之间反转偏振。
根据图6所示的差分干涉测量系统50的第一示例，根据前述第一实施例制造装置1。差分干涉测量系统50包括光源2、(非偏振)分离装置30和检测单元40。这些元件与常规使用的元件一致，在此不再详细描述。
在装置1中，四分之一波推迟板11例如位于透镜9之后，用于补偿散焦。然后，四分之一波推迟板11能够将入射光束转换成线偏振，并将反射光束转换成圆偏振。
根据图7中示出的差分干涉测量系统52的第二示例，根据第二实施例制造装置1，其中未观察到几何相位透镜的横向偏移，只有两个几何相位透镜的联合旋转允许获得第一光学中心O1与第二光学中心O2之间的偏移。
仍然可替换地(未示出)，差分干涉测量系统可以包括如图4所示的偏振分离装置1。
图8表示根据本发明的偏振分离装置1的另一个实施例。根据该另一实施例，装置1包括两对几何相位透镜：一方面第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2，另一方面第三几何相位透镜L3和第四几何相位透镜L4。几何相位透镜L1、L2、L3和L4串联定位在入射光束100的传播轴上，在第二几何相位透镜L2与第三几何相位透镜L3之间具有第五距离S1。
例如，第三几何相位透镜L3具有第三光学中心O3、第三光轴Z3和第三焦距F3。第四几何相位透镜L4具有第四光学中心O4、第四光轴Z4和第四焦距F4。优选地，第三焦距F3和第四焦距F4等于焦距F(类似于第一焦距F1和第二焦距F2)。可替换地，第三焦距F3和第四焦距F4可以等于不同于焦距F(与第一焦距F1和第二焦距F2相等)的另一焦距FA。如果第三焦距F3和第四焦距F4可能彼此不同但仍然接近，例如偏差小于或等于10％，则该装置也运行。
在此，第三几何相位透镜L3和第四几何相位透镜L4具有球面光焦度。第三几何相位透镜L3和第四几何相位透镜L4被定向成使得每个对于一个圆偏振是会聚的，并且对于另一个圆偏振是发散的。在这种情况下，第三几何相位透镜L3和第四几何相位透镜L4分别聚焦在第三光轴Z3上的焦点F3和–F3以及第四光轴Z4上的焦点F4和–F4。可替换地，第三几何相位透镜L3和第四几何相位透镜L4具有柱面光焦度，同时对于一个圆偏振是会聚的并且对于另一个圆偏振是发散的。在具有柱面光焦度的透镜的情况下，例如在第三几何相位透镜L3具有柱面光焦度的情况下，具有平行于第三光轴Z3的轴的准直入射光束根据与第三光轴Z3正交的线段穿过圆偏振的焦点F3聚焦，并且根据与第三光轴Z3正交的另一线段穿过另一圆偏振的焦点–F3聚焦。无论它们具有球面光焦度还是柱面光焦度，这些几何相位透镜都可以针对不同的几何像差进行校正，就像球面或柱面常规透镜被称为非球面或非柱面透镜一样。
第三几何相位透镜L3和第四几何相位透镜L4位于同一方向。例如，第三几何相位透镜L3和第四几何相位透镜L4位于与第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2相同的方向上。可替换地，第三几何相位透镜L3和第四几何相位透镜L4可以位于与第一几何相位透镜L1和第二几何相位透镜L2相反的方向上。
通常，第三光轴Z3和第四光轴Z4形成小于几度的角度。在下文中，第三光轴Z3和第四光轴Z4平行。可替换地，第三光轴Z3和第四光轴Z4重合。
根据第一光轴Z1，第三几何相位透镜L3与第四几何相位透镜L4彼此接触或分开第三距离D’。实际上，该第三距离D’小于第三焦距F3和第四焦距F4。第三距离D’小于第三焦距F3和第四焦距F4的20％。优选地，第三距离D’例如小于第三焦距F3和第四焦距F4的10％。换言之，第三距离D’尽可能小。在第三焦距F3和第四焦距F4等于焦距F的情况下，第三距离D’小于焦距F。
在此，第三几何相位透镜L3与第四几何相位透镜L4彼此靠近放置(因此，第三几何相位透镜L3与第四几何相位透镜L4之间的第三距离D’与焦距F相比较小)。例如，第三距离D’在3mm的范围内。
根据该第三实施例，第四光学中心O4在横向于入射光束100的传播轴的方向上相对于第一光轴Z1偏移非零第四距离e’。实际上，在此，装置1包括例如第三相位透镜L3与第四几何相位透镜L4之间的另一平移装置。第四距离e’在100μm和几毫米之间。通过构造，第三光学中心O3根据第三光轴Z3在第四几何相位透镜L4上的投影P3位于距第四光学中心O4的第四距离e’处。
另一平移装置适于根据横向于第一光轴Z1的方向相对于第三光学中心O3将第四光学中心O4偏移第四距离e’。实际上，因此另一平移装置适于根据横向于第一光轴Z1的方向将第四几何相位透镜L4偏移第四距离e’。实际上，线段P1O2包含在与轴Z正交的平面XY内，线段P3O4包含在与轴Z正交的另一个平面XY内。通过构造，线段P1O2具有与线段P3O4相反的方向。
例如，如图8所示，由于该另一平移装置，第四光轴Z4相对于第三光轴Z3偏移第四距离e’。第四光轴Z4相对于第三光轴Z3的另一偏移方向由第四光学中心O4相对于第一光轴Z1的位置定义。例如，另一偏移方向由第四光学中心O4相对于第三光轴Z3在平面XY中的位置定义。可替换地，另一偏移方向可以由第四光学中心O4相对于入射光束100的传播轴的位置定义。
如图8所示，第一对几何相位透镜(L1、L2)与第二对几何相位透镜(L3、L4)分开第五距离S1。实际上，第一光学中心O1与第四光学中心O4分开第五距离S1。
如图8所示，有利地根据本发明，入射光束100首先在角度和偏振上分离成第一偏振光束110和第二偏振光束120。有利地根据本发明，第一偏振光束110和第二偏振光束120具有正交的圆偏振。第一分离角δ1被限定在经准直的第一偏振光束110与第二偏振光束120之间。然后，第一偏振光束110又转向第二分离角δ2，以形成第三偏振光束114。第一偏振光束110和第三偏振光束114具有相同的偏振。第二分离角δ2被限定在第一偏振光束110与第三偏振光束114之间。
对称地，第二偏振光束120又转向第二分离角δ2/2，以形成第四偏振光束122。第四偏振光束122和第二偏振光束120具有相同的偏振。类似地，第二分离角δ2/2分离第四偏振光束122和第二偏振光束120。
图8所示的装置1的输出端处的总角间距δ3等于：δ3＝δ1+δ2。
如图8所示，第三偏振光束114和第四偏振光束122的轴在距离第四光学中心O4第六距离S2处的点I处相交于装置1的输出端。
【数学式8】
因此，第三偏振光束114和第四偏振光束122的轴相交的距离一方面取决于第一几何相位透镜与第二几何相位透镜之间的横向偏移，另一方面取决于第三几何相位透镜与第四几何相位透镜之间的横向偏移，以及分隔两对几何相位透镜的第五距离S1。
有利地，该第三实施例可以用在差分对比度光学显微镜的上下文中。这种技术用于突出低异质性。为此，除了成角度地分开入射光束之外，确保两个分离的偏振光束在分离装置的外部相交也很有趣。这种已知的装置基于诺曼斯基(Nomarski)棱镜。与该已知装置相比，根据本发明的偏振分离装置1的第三实施例更加紧凑。此外，它还具有能够调整偏振光束的分离角以及输出光束的交叉位置的优点。当显微镜的物镜改变或使用可变放大率物镜时，它还允许保持差分对比度模式的质量。最后，由于仅使用一种几何相位透镜来实现多个分离角和交叉位置，因此简化了生产。
可替换地，装置1可以包括几何相位透镜L1的一部分和几何相位透镜L2的一部分。在这种情况下，几何相位透镜的部分像菲涅耳透镜一样运行。

Claims (13)

1.一种偏振分离装置(1)，用于接收入射光束(100)，所述装置(1)包括：第一几何相位透镜(L1)，所述第一几何相位透镜具有第一光学中心(O1)、第一光轴(Z1)、用于第一圆偏振态的正第一焦距(F1)以及用于与第一圆偏振态正交的另一圆偏振态的相反焦距(-F1)；以及第二几何相位透镜(L2)，所述第二几何相位透镜具有第二光学中心(O2)、第二光轴(Z2)和用于所述第一圆偏振态的正第二焦距(F2)以及用于所述另一圆偏振态的相反焦距(-F2)，所述第一光轴(Z1)和所述第二光轴(Z2)形成小于20度的角度，所述第一几何相位透镜和第二几何相位透镜根据所述第一光轴(Z1)彼此分开第一距离(D)，所述装置(1)被配置和引导成使得所述第一光学中心(O1)根据所述第一光轴(Z1)在所述第二几何相位光学透镜(L2)上的投影(P1)位于距所述第二光学中心(O2)非零第二距离(e)处，所述第一距离(D)小于所述第一焦距(F1)和所述第二焦距(F2)。
2.根据权利要求1所述的偏振分离装置(1)，其中，所述第一焦距(F1)与所述第二焦距(F2)具有小于或等于10％的差值。
3.根据权利要求1或2所述的偏振分离装置(1)，其中，所述第二光轴(Z2)相对于所述第一光轴(Z1)偏移所述第二距离(e)。
4.根据权利要求3所述的偏振分离装置(1)，包括位于所述第一几何相位透镜与所述第二几何相位透镜之间的平移装置(5)，所述平移装置(5)适于根据横向于所述第一光轴(Z1)的方向相对于所述第一光学中心(O1)偏移所述第二光学中心(O2)。
5.根据权利要求1所述的偏振分离装置(1)，其中，所述第一光轴(Z1)相对于所述装置(1)上的所述入射光束的传播轴形成角度(θ)。
6.根据权利要求5所述的偏振分离装置(1)，包括用于旋转所述第一几何相位透镜和所述第二几何相位透镜的旋转装置(7)，所述第一几何相位透镜(L1)和所述第二几何相位透镜(L2)保持彼此平行，所述旋转装置(7)适于相对于所述入射光束(100)同时倾斜所述第一几何相位透镜和所述第二几何相位透镜。
7.根据权利要求1或2所述的偏振分离装置(1)，其中，所述第一距离(D)小于所述第一焦距(F1)和所述第二焦距(F2)的20％。
8.根据权利要求1或2所述的偏振分离装置(1)，其中，所述第一几何相位透镜(L1)和所述第二几何相位透镜(L2)具有球面或柱面光焦度。
9.根据权利要求1或2所述的偏振分离装置(1)，包括发散光学透镜(9)。
10.根据权利要求1或2所述的偏振分离装置(1)，包括四分之一波推迟板(11)。
11.根据权利要求1或2所述的偏振分离装置(1)，包括具有第三光学中心(O3)、第三光轴(Z3)和第三焦距(F3)的第三几何相位透镜(L3)和具有第四光学中心(O4)、第四光轴(Z4)和第四焦距(F4)的第四几何相位透镜(L4)，所述第三几何相位透镜(L3)和所述第四几何相位透镜(L4)被设置成对于所述第一圆偏振态具有相同符号的光焦度，并且对于正交的所述另一圆偏振态具有相反符号的光焦度，所述第三光轴(Z3)和所述第四光轴(Z4)与所述第一光轴(Z1)形成小于20度的角度，所述第三几何相位透镜和所述第四几何相位透镜根据所述第三光轴(Z3)彼此分开第三距离(D’)，所述第三光学中心(O3)根据所述第三光轴(Z3)在所述第四几何相位透镜(L4)上的投影位于距所述第四光学中心(O4)非零第四距离(e’)处，所述第三距离(D’)小于所述第三焦距(F3)和所述第四焦距(F4)。
12.一种差分干涉仪(50、52)，包括根据权利要求1或2所述的偏振分离装置(1)。
13.一种差分对比度光学显微镜，包括根据权利要求1或2所述的偏振分离装置(1)。
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