[发明专利]一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪及其测量方法

权利要求书

1.一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，包括：

起偏调制单元，所述起偏调制单元包括：光源、起偏器和第一涡旋四分之一波片，所述起偏器位于所述光源和所述第一涡旋四分之一波片之间；

样品台，所述样品台上适于放置待测样品；

检偏调制单元，所述检偏调制单元包括第二涡旋四分之一波片和检偏器；

经过所述第一涡旋四分之一波片的光适于被所述待测样品反射或者透射，被所述待测样品反射或者透射的光适于依次经过所述第二涡旋四分之一波片和所述检偏器；

图像传感器，所述图像传感器适于对所述检偏器的出射光束进行采样以得到光强调制图像，所述光强调制图像随光强调制图像的方位角呈明暗交替变化；

第一分析单元、第二分析单元和第三分析单元，所述第一分析单元适于根据所述光强调制图像得到光强调制函数，光强调制函数以光强调制图像的方位角为自变量、以光强调制图像的光强值为因变量；所述第二分析单元适于对所述光强调制函数进行傅里叶分析以得到光强调制函数的傅里叶表达式；所述第三分析单元适于根据所述光强调制函数的傅里叶表达式中的系数获取待测样品的穆勒矩阵。

2.根据权利要求1所述的双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，所述第一涡旋四分之一波片的阶次p和所述第二涡旋四分之一波片的阶次q满足:p和q均为正整数，q大于2p，且p和q互质。

3.根据权利要求1所述的双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，所述样品台面具有垂直于样品台的表面的台面中心轴；所述起偏调制单元中光源、起偏器和第一涡旋四分之一波片的排布方向与所述检偏调制单元中第二涡旋四分之一波片和检偏器的排布方向相对于所述台面中心轴对称。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，还包括：第一位置调节单元，所述第一位置调节单元适于调节起偏调制单元中光源、起偏器和第一涡旋四分之一波片的排布方向；第二位置调节单元，所述第二位置调节单元适于调节第二涡旋四分之一波片和检偏器的排布方向；第三位置调节器，所述第三位置调节器适于将待测样品在所述样品台上的水平放置位置和待测样品在所述样品台上的垂直放置位置之间进行切换。

5.根据权利要求1所述的双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，当所述待测样品为透射性样品时，待测样品的厚度方向平行于所述样品台的表面，光源、起偏器和第一涡旋四分之一波片的排布方向以及第二涡旋四分之一波片和检偏器的排布方向均平行于所述样品台的表面；当所述待测样品为反射性样品时，待测样品的厚度方向垂直于所述样品台的表面，光源、起偏器和第一涡旋四分之一波片的排布方向与所述样品台的表面的夹角大于零，第二涡旋四分之一波片和检偏器的排布方向与所述样品台的表面的夹角大于零。

6.一种测量方法，采用权利要求1至5任意一项所述的双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪，其特征在于，包括：

步骤S1:将待测样品放置在样品台上；

步骤S2:打开光源，根据待测样品的透射率和反射率调节起偏调制单元中光源、起偏器和第一涡旋四分之一波片的排布方向以及检偏调制单元中第二涡旋四分之一波片和检偏器的排布方向；

步骤S3:所述图像传感器对所述检偏器的出射光束进行采样以得到光强调制图像，所述光强调制图像随光强调制图像的方位角呈明暗交替变化；

步骤S4:对所述光强调制图像进行分析以得到光强调制函数，光强调制函数以光强调制图像的方位角为自变量、以光强调制图像的光强值为因变量；

步骤S5:对所述光强调制函数进行傅里叶分析以得到光强调制函数的傅里叶表达式；

步骤S6:根据所述光强调制函数的傅里叶表达式中的系数获取待测样品的穆勒矩阵。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述光强调制函数为：

所述光强调制函数的傅里叶表达式为：

其中，m₁₁＝1，m₁₂＝(2a_2p-2a_2q-2p-2a_2q+2p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₁₃＝(2b_2p+2b_2q-2p-2b_2q+2p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₁₄＝(b_p+b_2q-p-b_2q+p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₂₁＝(-2a_2q-2p+2a_2q-2a_2q+2p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₂₂＝(4a_2q-2p+4a_2q+2p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₂₃＝(-4b_2q-2p+4b_2q+2p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₂₄＝(-2b_2q-p+2b_2q+p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₃₁＝(-2b_2q-2p+2b_2q-2b_2q+2p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₃₂＝(4b_2q-2p+4b_2q+2p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₃₃＝(4a_2q-2p-4a_2q+2p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₃₄＝(2a_2q-p-2a_2q+p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₄₁＝(2b_q-2p-b_q)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₄₂＝(-2b_q-2p-2b_q+2p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₄₃＝(-2a_q-2p+2a_q+2p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

m₄₄＝(a_q+p-a_q-p)/(a₀-a_2p+a_2q-2p-a_2q+a_2q+2p)；

其中，为光强调制图像的光强值，为光强调制图像的方位角，m₁₁、m₁₂、m₁₃、m₁₄、m₂₁、m₂₂、m₂₃、m₂₄、m₃₁、m₃₂、m₃₃、m₃₄、m₄₁、m₄₂、m₄₃和m₄₄为穆勒矩阵的元素；p为所述第一涡旋四分之一波片的阶次，q为所述第二涡旋四分之一波片的阶次；a₀为光强调制函数的傅里叶表达式中的常数项，p、2p、q-2p、q-p、q、q+p、q+2p、2q-2p、2q-p、2q、2q+p、2q+2p为光强调制函数的傅里叶表达式中的12个非零谐波级次，a_n为光强调制函数的傅里叶表达式中的余弦项的系数，b_n为光强调制函数的傅里叶表达式中的正弦项的系数。