[发明专利]基于液晶调相的垂直物镜式穆勒矩阵成像椭偏仪

权利要求书

1.基于液晶调相的垂直物镜式穆勒矩阵成像椭偏仪，其特征在于，包括起偏光路单元和检偏光路单元，其中：

所述起偏光路单元，用于将外部光源模块出射的光束进行偏振态调制后得到偏振态的光束，再将偏振态的光束投射到待测纳米薄膜表面，其中，所述起偏光路单元包括第一透镜、孔径光阑、平面反射镜、偏振态产生单元、平板分光镜、第二透镜和物镜，由外部光源模块发出的光束经过第一透镜准直得到平行光束，平行光束经过孔径光阑后再由平面反射镜镜面反射，然后进入偏振态产生单元完成偏振态的调制，从而获得具有偏振态的光束，然后该偏振态的光束依次经过平板分光镜、第二透镜和物镜，然后投射到待测纳米薄膜表面，所述偏振态产生单元包括沿光路方向依次设置的起偏器、第一铁电液晶器件、第一1/4波片和第二铁电液晶器件并且它们共光轴；

所述检偏光路单元，用于将待测纳米薄膜表面的反射光束进行偏振态分析，从而得到待测纳米薄膜的信息，所述检偏光路单元包括偏振态分析单元和消杂单元，待测纳米薄膜表面的反射光束经由物镜收集，然后依次通过第二透镜、平板分光镜、偏振态分析单元和消杂单元，最后进入面阵探测器中；其中偏振态分析单元用来对所述反射光束进行偏振态解调，消杂单元用来消除反射光束中的杂散光，以提高椭偏仪的测量精度，所述偏振态分析单元包括沿光路方向依次设置的第三铁电液晶器件、第二1/4波片、第四铁电液晶器件和检偏器，并且它们共光轴，所述消杂单元包括第三透镜、针孔件和第四透镜，并且它们按照共光轴布置，所述第三透镜和第四透镜之间焦距共轭，针孔件的针孔位于所述第三透镜和第四透镜共轭的焦点之上；针孔件的针孔选择合适孔径，以阻止反射光束中的干扰光束通过，从而消除反射光束中的杂散光及提高椭偏仪的测量精度；

通过控制偏振态产生单元和偏振态分析单元中的四个铁电液晶器件，收集得到多种不同偏振状态下反射光的光强信号，由此得到面阵探测器上对应像素点处的待测纳米薄膜的光谱穆勒矩阵测量数据，通过对面阵探测器所有像素点处采集得到的光强信号进行分析便得到整个视场区域内待测纳米薄膜的光谱穆勒矩阵测量数据。

2.如权利要求1所述的基于液晶调相的垂直物镜式穆勒矩阵成像椭偏仪，其特征还在于，所述平面反射镜安装在旋转台上，通过旋转台旋转平面反射镜，实现物镜的后焦面会聚光束焦点位置的离轴，从而实现物镜投射至待测纳米薄膜表面的入射光束角度接近待测纳米薄膜的布鲁斯特角，以便进行偏振测量。

3.如权利要求1所述的基于液晶调相的垂直物镜式穆勒矩阵成像椭偏仪，其特征还在于，所述平板分光镜不仅在起偏光路单元中实现光束的反射式传播，改变光束的传播方向，还在检偏光路单元中实现光束的透射式传播；另外，所述平板分光镜为非偏振平板分光镜。

4.如权利要求1所述的基于液晶调相的垂直物镜式穆勒矩阵成像椭偏仪，其特征还在于，所述外部光源模块包括光源、波长选择器、光纤耦合器和引出光纤；所述光源通过光纤依次连接所述波长选择器和光纤耦合器，所述光源产生的光束经过波长选择器变为单波长光束，经光纤耦合器送给引出光纤，所述引出光纤作为所述外部光源模块的输出端。

5.一种采用权利要求1～4中任一所述垂直物镜式穆勒矩阵成像椭偏仪进行测量待测纳米薄膜信息的方法，其特征还在于，包括以下步骤：

(1)将待测纳米薄膜置于样品台上，调整起偏光路单元和检偏光路单元，在面阵探测器上得到待测纳米薄膜待测区域的清晰成像；

(2)将外部光源模块发出的单波长光束进行准直获得平行光束，再经过偏振态产生单元进行调制后，获得椭圆偏振光投射至待测纳米薄膜表面；

(3)由待测纳米薄膜表面反射出的光束经过偏振态分析单元进行偏振态解调后，进入到面阵探测器中，得到不同偏振状态下反射光强信号I，具体步骤如下：

其中，

其中，N_i＝c_is_i(1-cosδ_i)，L_i＝c_isinδ_i，G_i＝s_isinδ_i，s_i＝sin(2θ_i)，c_i＝cos(2θ_i)均为中间变量，I₀为输入起偏器109之前的光强值，I为经过测量系统后端面阵探测器128实际探测到的光强值，M_jk为穆勒矩阵M_S中的元素，其中，i＝C1,C2,F1,F2,F3,F4,A,P；j＝1,2,3,4，k＝1,2,3,4；

(4)根据步骤(3)的反射光强信号，获得待测纳米薄膜对应面阵探测器上每个像素点处的光谱穆勒矩阵测量数据，所有像素点对应的光谱穆勒矩阵测量数据构成整个视场区域内待测纳米薄膜的光谱穆勒矩阵测量数据，面阵探测器上每一个像素点处的数据采集原理都是一样的，其中，面阵探测器上任意第m行和第n列对应的像素点处的数据采集如下：

根据反射光束和入射光束对应的斯托克斯向量S_out和S_in之间的关系式：

其中，M_P，M_A，M(θ_F1,δ_F1)，M(θ_F2,δ_F2)，M(θ_F3,δ_F3)，M(θ_F4,δ_F4)，M_C1，M_C2分别为起偏器、检偏器、第一铁电液晶器件、第二铁电液晶器件、第三铁电液晶器件、第四铁电液晶器件、第一1/4波片、第二1/4波片对应的穆勒矩阵；

R(θ_A)、R(-θ_C2)、R(θ_C2)、R(-θ_C1)、R(θ_C1,)、R(-θ_P)分别表示光学元件快轴方向与入射面夹角为θ_A、-θ_C2、θ_C2、-θ_C1,、θ_C1,和-θ_P时的旋转矩阵；

θ_P和θ_A分别起偏器和检偏器的透光轴方向与入射面夹角；θ_C1、θ_C2、θ_F1、θ_F2、θ_F3和θ_F4分别表示第一1/4波片、第二1/4波片、第一铁电液晶器件、第二铁电液晶器件、第三铁电液晶器件和第四铁电液晶器件的快轴方向与入射面的夹角；在数据采集过程中，第一1/4波片、第二1/4波片、第一铁电液晶器件、第二铁电液晶器件、第三铁电液晶器件和第四铁电液晶器件共6个器件的快轴方位角要求固定不变；δ_C1、δ_C2、δ_F1、δ_F2、δ_F3和δ_F4分别为第一1/4波片、第二1/4波片、第一铁电液晶器件、第二铁电液晶器件、第三铁电液晶器件和第四铁电液晶器件对应的相位延迟量；

(5)改变入射光束的波长λ以及入射光束的入射角θ，转动样品台以改变入射光束与待测纳米结构之间所成方位角φ；重复步骤(2)～步骤(4)，获得各波长λ、入射角θ和方位角φ配合下的光谱穆勒矩阵测量数据；

(6)在给定的波长λ、入射角θ和方位角φ配置下，根据菲涅尔公式计算待测纳米薄膜对应的理论光谱穆勒矩阵，其中，

M_S对应的是理想系统中待测纳米薄膜的穆勒矩阵，并且

其中，为不同波长下平板分光镜透射式的测量穆勒矩阵，为不同波长和入射角下平板分光镜反射式的测量穆勒矩阵，和是采用球面镜替换所述待测纳米薄膜后校准获得，为物镜在入射光路单元中照明光束方向的测量穆勒矩阵，物镜在反射光束收集方向的测量穆勒矩阵，和是采用球面镜替换所述待测纳米薄膜并且撤除所述第二透镜后校准获得，以此方式，获得待测纳米薄膜的真实穆勒矩阵M′_S；

(7)对实际测量得到的成像光谱穆勒矩阵数据点进行拟合以得到待测纳米薄膜的实际光谱穆勒矩阵数据，然后将得到的实际光谱穆勒矩阵数据与理论光谱穆勒矩阵数据进行比较，若偏差在设定范围内，则获得的实际光谱穆勒矩阵数据是准确的，然后根据实际光谱穆勒矩阵数据可获得任意像素点处对应的待测纳米薄膜的待测参数值，完成所有像素点对应的待测纳米薄膜的待测参数值求解，最终得到整个视场区域内待测纳米薄膜的三维显微形貌；若偏差超出了设定范围，则重复步骤(2)～步骤(6)，直至获得的实际光谱穆勒矩阵数据与理论光谱穆勒矩阵数据比较获得的偏差在设定范围内，以获得待测纳米薄膜的三维显微形貌。