四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置和測量方法
2023-06-11 01:10:01
專利名稱：四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置和測量方法
技術領域：
本發明涉及偏振光技術領域，特別是一種四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置和測量方法。
背景技術：
波片是一種重要的偏振器件，其中四分之一波片是最為常用的偏振器件，它在空間移相干涉測量和偏振照明浸液光刻等領域應用廣泛。相位延遲量是四分之一波片的重要光學參數，受環境因素影響，其相位延遲量與標稱值有一定的偏差。在空間移相干涉測量和偏振照明浸液光刻使用過程中要應用四分之一波片上每點的相位延遲量，需要精密地測量四分之一波片的相位延遲量分布。在先技術[1](左芬，陳磊，徐晨，1/4波片相位延遲分布的動態測量，光子學報， 37(11),2008:2296-2299)描述了一種四分之一波片相位延遲量分布的實時測量方法。光源發出的光經過起偏器和標準四分之一波片形成圓偏振光，圓偏振光經過待測四分之一波片後進入分光移相器，形成具有不同移相量的四幅圖像並被圖像傳感器接收。分光移相器由二維正交光柵、空間濾波器和偏振陣列組成。通過待測波片後的光經過二維光柵、成像透鏡組和空間濾波器後形成四幅光強相等的圖像，偏振陣列由四個透振方向依次相差45°的偏振片組成，分別在每幅圖像中引入0°、90°、180°和270°的移相量。利用待測波片上各點在四幅圖像中對應點光強的正弦函數得到各點相位延遲量的分布值，即獲得了待測波片的相位延遲量分布。上述在先技術存在的問題和不足是1.待測四分之一波片的相位延遲量是或者接近90°，相位延遲量的正弦函數對其變化不敏感，利用反正弦函數求解待測波片的相位延遲量分布難以獲得高的測量精度。2.利用四個透振方向依次相差45°的偏振片組成的偏振陣列得到四幅具有不同移相量的圖像，偏振片的透振方向誤差將影響測量精度。3.測量裝置中包含二維正交光柵、空間濾波器和偏振陣列等光學元件，結構複雜。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的不足，提出一種四分之一波片相位延遲量分布的實時測量裝置和方法。該裝置和方法通過反餘弦函數得到待測波片的相位延遲量分布，測量精度高。該裝置和方法使用渥拉斯頓稜鏡檢偏，兩個透振方向嚴格垂直，不存在透振方向誤差影響測量精度的問題，並具有簡單結構的特點。本發明的技術解決方案如下一種四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置，特點在於其構成包括準直光源，沿所述的準直光源發出的光束前進方向上，依次是圓起偏器、標準四分之一波片、渥拉斯頓稜鏡和圖像傳感器，該圖像傳感器的輸出端接計算機，所述的渥拉斯頓稜鏡的兩個透振方向分別與所述的標準四分之一波片的快軸方向成45°和135°夾角，在所述的圓起偏
3器和標準四分之一波片之間設置待測波片的插口。所述的圖像傳感器為CXD圖像傳感器。所述的計算機為帶有圖像採集卡的計算機。利用上述的四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置測量波片的相位延遲量分布的方法，其特徵在於包括如下步驟①將待測波片插入所述的待測波片的插口 ；②啟動所述的準直光源、圖像傳感器和計算機，所述的圖像傳感器同時記錄兩幅子圖像通過圖像採集卡輸入所述的計算機，該計算機將兩幅子圖像以同樣的方法像素化並建立相同的坐標系，待測波片上一點(X，y)在兩幅子圖像中坐標值相等的對應點的光強分別為 I1(X^y)和 I2 (χ, y)；③所述的計算機對所述的待測波片上點(X，y)進行下列運算^(x,>') = arccos A(xJ)KxJ)
_Il(x,y) + I2(x,y)_得到待測波片上該點(x, y)的相位延遲量δ (χ, y)；④所述的計算機對所述的待測波片所有的點(X，y)重複步驟③，即獲得待測波片的相位延遲量分布。與在先技術相比，本發明的技術效果如下1.待測四分之一波片的相位延遲量是或者接近90°，相位延遲量的餘弦函數對其變化反應靈敏，利用反餘弦函數求解待測波片的相位延遲量分布具有高的測量精度。2.渥拉斯頓稜鏡的兩個透振方向嚴格垂直，不存在透振方向誤差影響測量精度的問題。3.渥拉斯頓稜鏡同時對入射光的分光和檢偏，使測量裝置具有簡單的結構。
圖1為本發明四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置實施例的結構框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施實例對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。先請參閱圖1，圖1是本發明四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置實施實例的結構框圖。由圖1可見，本發明四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置，特徵在於其構成包括準直光源，沿所述的準直光源發出的光束前進方向上，依次是圓起偏器、標準四分之一波片、渥拉斯頓稜鏡和圖像傳感器，該圖像傳感器的輸出端接計算機，所述的渥拉斯頓稜鏡的兩個透振方向分別與所述的標準四分之一波片的快軸方向成45°和135°夾角， 在所述的圓起偏器和標準四分之一波片之間設置待測波片的插口。本發明的最佳實施例的結構如圖1所示，其具體結構和參數敘述如下所述的準直光源1為He-Ne雷射器，所述的圓起偏器2為利用方解石晶體和石英晶體製作成的消光比優於10_3的圓起偏器，所述的標準四分之一波片4為相位延遲量誤差小於0.7°的石英波片，所述的渥拉斯頓稜鏡5的分束角為5°，其消光比優於10-5，所述的圖像傳感器6為CCD圖像傳感器，所述的計算機7為帶有圖像採集卡的計算機。利用上述的四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置測量波片的相位延遲量分布的方法，包括如下步驟①將待測波片3插入所述的待測波片的插口 ；②啟動所述的準直光源1、圖像傳感器6和計算機7，所述的圖像傳感器6同時記錄兩幅子圖像通過圖像採集卡輸入所述的計算機7，該計算機7將兩幅子圖像以同樣的方法像素化並建立相同的坐標系，待測波片3上一點(X，y)在兩幅子圖像中坐標值相等的對應點的光強分別為I「x，y)和I2 (χ，y)；③所述的計算機對所述的待測波片3上點(X，y)進行下列運算δ(χ, y) = arccos A(xJ)KxJ)
_Il(x,y) + I2(x,y)_得到待測波片3上該點(x, y)的相位延遲量δ (χ, y)；④所述的計算機7對所述的待測波片3所有的點(X，y)重複步驟③，即獲得待測波片3的相位延遲量分布。本發明的所述的準直光源1出射的平行光經過所述的圓起偏器2形成圓偏振光。 該圓偏振光經過所述的待測波片3和所述的標準四分之一波片4後由所述的渥拉斯頓稜鏡 5分光和檢偏後產生兩幅子圖像。所述的渥拉斯頓稜鏡5的兩個透振方向分別與標準四分之一波片的快軸方向成45°和135°夾角。兩幅子圖像被所述的圖像傳感器6接收後被所述的計算機7採集、處理得到待測波片3的相位延遲量分布。所述的圓起偏器2出射的圓偏振光可以用瓊斯矢量A表達為A = ^ 1 ,(1)
V2其中Aq為圓偏振光的振幅。所述的待測波片3上點(x，y)可以用瓊斯矩陣Js表示為
「Z( COS20(x,jO + Sm20(x,y) (em^>-l)Sme(x,y)CoSe(x,y)']mJs,,.，Kz)
(e,S(x'y> -1) sin θ(χ, y) cos θ(χ, y) e,S{x'y) sin2 θ(χ, y) + cos2 θ(χ, y)其中δ (χ, y)和θ (x, y)分別為所述的待測的波片3上點(x, y)的相位延遲量和快軸方位角。所述的標準四分之一波片4可以用瓊斯矩陣Jq表示為
ο_JQ=…，(3)
0 1所述的渥拉斯頓稜鏡5可以用瓊斯矩陣Jp表示為
r cos2 α sin a cos aJp= .. 2 ，(4)
sin a cos a sin a其中α為所述的渥拉斯頓稜鏡5的透振方向與所述的標準四分之一波片4快軸的夾角。所述的圖像傳感器6同時記錄的兩幅子圖像上各點可以用瓊斯矢量A'表達為A' = JpJqJsA。(5)將得到的瓊斯矩陣A'共軛轉置後與其自身相乘，得到待測波片3上各點在兩幅子圖像中對應點的光強I「X，y)和I2 (X，y)分別為
5
Il(x,y) = ^-[\ + co^(x,y)l(6)
談，力和―徹，力]，⑵
由公式(6) (7)可以得到
5(x，>0 = arccos ll^ilhlliMl。(8)_Il(x,y) + I2(x,y)_
利用公式⑶可以計算出待測波片3上點(X，y)的相位延遲量δ (χ, y)的分布值，即獲得了待測波片3的相位延遲量分布。
權利要求
1.一種四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置，特徵在於其構成包括準直光源 (1)，沿所述的準直光源(1)發出的光束前進方向上，依次是圓起偏器O)、標準四分之一波片G)、渥拉斯頓稜鏡(5)和圖像傳感器(6)，該圖像傳感器(6)的輸出端接計算機(7)，所述的渥拉斯頓稜鏡( 的兩個透振方向分別與所述的標準四分之一波片(4)的快軸方向成 45°和135°夾角，在所述的圓起偏器( 和標準四分之一波片(4)之間設置待測波片(3) 的插口。
2.根據權利要求1所述的四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置，其特徵在於所述的圖像傳感器(6)為CXD圖像傳感器。
3.根據權利要求1或2所述的四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置，其特徵在於所述的計算機(7)為帶有圖像採集卡的計算機。
4.利用權利要求1所述的四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置測量波片的相位延遲量分布的方法，其特徵在於包括如下步驟①將待測波片( 插入所述的待測波片的插口；②啟動所述的準直光源(1)、圖像傳感器(6)和計算機(7)，所述的圖像傳感器(6)同時記錄兩幅子圖像通過圖像採集卡輸入所述的計算機(7)，該計算機(7)將兩幅子圖像以同樣的方法像素化並建立相同的坐標系，待測波片(；3)上一點(X，y)在兩幅子圖像中坐標值相等的對應點的光強分別為I「x，y)和I2 (χ，y)；③所述的計算機對所述的待測波片( 上點(χ，y)進行下列運算_Il(x,y) + I2(x,y)_得到待測波片3上該點(x, y)的相位延遲量δ (χ, y)；④所述的計算機(7)對所述的待測波片( 所有的點(X，y)重複步驟③，即獲得待測波片(3)的相位延遲量分布。
全文摘要
一種四分之一波片相位延遲量分布實時測量裝置和測量方法，裝置的構成包括準直光源，沿所述的準直光源發出的光束前進方向上，依次是圓起偏器、標準四分之一波片、渥拉斯頓稜鏡和圖像傳感器，該圖像傳感器的輸出端接計算機，所述的渥拉斯頓稜鏡的兩個透振方向分別與所述的標準四分之一波片的快軸方向成45°和135°夾角，在所述的圓起偏器和標準四分之一波片之間設置待測波片的插口。本發明通過反餘弦函數得到待測波片的相位延遲量分布，測量精度高。使用渥拉斯頓稜鏡檢偏，兩個透振方向嚴格垂直，不存在透振方向誤差影響測量精度的問題。具有簡單結構的特點。
文檔編號G01M11/02GK102507158SQ20111037198
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月21日 優先權日2011年11月21日
發明者劉龍海, 曾愛軍, 袁喬, 鄭樂行, 黃惠傑 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所