CN109060660A - 基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***及方法 - Google Patents

基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***及方法 Download PDF

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CN109060660A CN201810900648.2A CN201810900648A CN109060660A CN 109060660 A CN109060660 A CN 109060660A CN 201810900648 A CN201810900648 A CN 201810900648A CN 109060660 A CN109060660 A CN 109060660A
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胡春光
霍树春
沈万福
李艳宁
胡小唐
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Abstract

一种基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***及方法，所述反射差分光学测量***包括：光源模块，用于产生非偏振可见复色平行光束；第一分束器，将光源模块输出的光束反射进入光路，使通过分束器的出射光束继续透射到光路中；反射差分模块，对第一分束器出射的光束进行偏振态或相位延迟调制；显微物镜，用于实现临界照明和光学显微功能；第二分束器，将所述第一分束器输出的光束透射和反射后进入对应的信号采集模块；信号采集模块，用于光强信号采集。本发明的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***及方法能够实现对样品光学反射各向异性的显微光谱测量，测量中无机械转动，具有结构简单、稳定性好、调节方便等特点。

Description

基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***及方法
技术领域
本发明属于超薄膜光学表征领域及纳米结构测试技术领域，具体涉及一种基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***及方法。
背景技术
超薄膜与纳米结构的光学表征与测试方法在其工艺研究与改进中占据重要的地位。其中，反射差分光学测量技术测量样品表面反射引起的光学各向异性，进而对样品的形貌、理化特性等进行研究分析。
目前的反射差分光学测量***以光谱信号测量为主，全谱信号测量速度较低，且机械振动引入的误差与噪声难以避免。另外，现有测量方法的横向空间分辨力普遍较低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***及方法，以便解决上述问题的至少之一。
本发明是通过如下技术方案实现的：
作为本发明的一个方面，提供一种基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***，包括：光源模块，用于产生非偏振可见复色平行光束；第一分束器，将所述光源模块输出的光束反射进入光路，使通过分束器的出射光束继续透射到光路中；反射差分模块，其连接所述第一分束器，对所述第一分束器出射的光束进行偏振态或相位延迟调制；显微物镜，位于反射差分模块与待测样品之间，用于实现临界照明和光学显微功能；第二分束器，其连接所述第一分束器，将所述第一分束器输出的光束透射和反射后进入对应的信号采集模块；信号采集模块，其连接所述第二分束器，用于光强信号采集。
优选地，所述信号采集模块为单色成像模块或光谱测量模块；其中，所述单色成像模块用于进行单色光强图像采集；所述信号采集模块用于进行光强谱采集。
优选地，所述反射差分模块包括：偏振器，用于将由所述第一分束器反射的非偏振光调制为线性偏振光，同时检测样品表面的出射光束在当前偏振方向上的振幅；调制器，用于对光束进行相位延迟调制；第一旋转装置，与所述偏振器连接并控制其方位角；以及第二旋转装置，与所述调制器连接并控制其方位角。
优选地，所述调制器为液晶可变相位延迟器。
优选地，所述光源模块包括：光源，用于输出非偏振复色光；第一光纤，用于传导所述光源输出的光束；以及准直镜，用于将所述第一光纤输出的光调整为平行光束。
优选地，所述单色成像模块包括：滤光片，用于实现单色光滤波；筒镜，用于与所述显微物镜构成无限远校正成像***；以及单色相机，位于所述筒镜焦点处，对样品单色成像。
优选地，所述光谱测量模块包括：汇聚镜，用于将平行光汇聚；第二光纤，用于传导所述汇聚镜形成的汇聚光；以及光谱仪，用于测量光强度谱数据。
优选地，测试光斑直径为1～2mm，光学分辨力为2μm，光谱测量范围为400～850nm。
作为本发明的另一个方面，提供一种利用前述的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***进行的反射差分光学显微测量方法，包括以下步骤：步骤A：偏振器由第一旋转装置带动旋转至一方位角后保持静止，产生固定方位角的线性偏振光；调制器在第二旋转装置带动下，转动至与偏振器方位角相差45°的位置；步骤B：调制器在每一次测量过程中均改变n个相位延迟值δi(i＝1，2，3，...n)，其中n≥3；单色相机对应于调制器的n个相位延迟值采集n次光强图像，单色相机中单个像素获得的光强对应为Ii(i＝1，2，3，...n)；光谱仪对应于调制器的n个相位延迟值采集n次光谱数据，光谱仪中单个波长下获得的光强对应为Ii(i＝1，2，3，…n)；步骤C：根据步骤B中单色相机单个像素或光谱仪单个波长采集到的数据，求解如下方程组：
将求解得到的N、C带入如下公式即可得到单色相机单个像素或光谱仪单个波长对应的样品表面的反射差分信号：
其中j为虚数单位；
步骤D：对光谱仪对应的所有波长重复步骤C，即可获得样品表面的反射差分光谱；对单色相机所有像素重复步骤C，即可获得当前滤光片下，样品表面的反射差分图像；步骤E：对单色相机更换不同波长的滤光片，重复步骤步骤B至步骤D，即可获得样品表面的反射差分显微光谱。
从上述技术方案可以看出，本发明的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***及方法具有以下有益效果：
(1)能够实现对样品表面光学反射各向异性的显微测量。
(2)能够实现对样品表面光学反射各向异性的非机械转动调制式的光谱测量。
(3)可根据需要，同时进行显微测量与光谱测量。
(4)便于安装集成其它光学元件，适用于对光学功能拓展有不同要求的科研和应用领域，有效提高了仪器的设计效率和通用性；光学元件的互换性好，可依据应用场合更换优选器件。
附图说明
图1为本发明实施例中基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***的示意图；
图2为本发明实施例中基于液晶可变延迟器的反射差分显微测量方法的流程框图；
图3为本发明实施例中基于液晶可变延迟器的反射差分光谱测量方法的流程框图；
【附图元件说明】
1-光源； 2-第一光纤；
3-准直镜； 4-第一分束器；
5-第一旋转装置； 6-偏振器；
7-第二旋转装置； 8-调制器；
9-显微物镜； 10-样品；
11-第二分束器； 12-滤光片；
13-筒镜； 14-单色相机；
15-汇聚镜； 16-第二光纤；
17-光谱仪。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
一种基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***及方法，所述基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***包括：光源模块，用于产生非偏振可见复色平行光束；第一分束器，将光源模块输出的光束反射进入光路，使通过分束器的出射光束继续透射到光路中；反射差分模块，对第一分束器出射的光束进行偏振态或相位延迟调制；显微物镜，用于实现临界照明和光学显微功能；第二分束器，将所述第一分束器输出的光束透射和反射后进入对应的信号采集模块；信号采集模块，用于光强信号采集。本发明的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***及方法能够实现对样品光学反射各向异性的显微光谱测量，测量中无机械转动，具有结构简单、稳定性好、调节方便等特点。
具体地，作为本发明的一个方面，提供一种基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***，包括：光源模块，用于产生非偏振可见复色平行光束；第一分束器，将所述光源模块输出的光束反射进入光路，使通过分束器的出射光束继续透射到光路中；反射差分模块，其连接所述第一分束器，对所述第一分束器出射的光束进行偏振态或相位延迟调制；显微物镜，位于反射差分模块与待测样品之间，用于实现临界照明和光学显微功能；第二分束器，其连接所述第一分束器，将所述第一分束器输出的光束透射和反射后进入对应的信号采集模块；信号采集模块，其连接所述第二分束器，用于光强信号采集。
优选地，所述信号采集模块为单色成像模块或光谱测量模块；其中，所述单色成像模块用于进行单色光强图像采集；所述光谱测量模块用于进行光强谱采集。
优选地，所述反射差分模块包括：偏振器，用于将由所述第一分束器反射的非偏振光调制为线性偏振光，同时检测样品表面的出射光束在当前偏振方向上的振幅；调制器，用于对光束进行相位延迟调制；第一旋转装置，与所述偏振器连接并控制其方位角；以及第二旋转装置，与所述调制器连接并控制其方位角。
优选地，所述调制器为液晶可变相位延迟器。
优选地，所述光源模块包括：光源，用于输出非偏振复色光；第一光纤，用于传导所述光源输出的光束；以及准直镜，用于将所述第一光纤输出的光调整为平行光束。
优选地，所述单色成像模块包括：滤光片，用于实现单色光滤波；筒镜，用于与所述显微物镜构成无限远校正成像***；以及单色相机，位于所述筒镜焦点处，对样品单色成像。
优选地，所述光谱测量模块包括：汇聚镜，用于将平行光汇聚；第二光纤，用于传导所述汇聚镜形成的汇聚光；以及光谱仪，用于测量光强度谱数据。
优选地，测试光斑直径为1～2mm，光学分辨力为2μm，光谱测量范围为400～850nm。
作为本发明的另一个方面，提供一种利用前述的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***进行的反射差分光学显微测量方法，包括以下步骤：步骤A：偏振器由第一旋转装置带动旋转至一方位角后保持静止，产生固定方位角的线性偏振光；调制器在第二旋转装置带动下，转动至与偏振器方位角相差45°的位置；步骤B：调制器在每一次测量过程中均改变n个相位延迟值δi(i＝1，2，3，...n)，其中n≥3；单色相机对应于调制器的n个相位延迟值采集n次光强图像，单色相机中单个像素获得的光强对应为Ii(i＝1，2，3，...n)；光谱仪对应于调制器的n个相位延迟值采集n次光谱数据，光谱仪中单个波长下获得的光强对应为Ii(i＝1，2，3，…n)；步骤C：根据步骤B中单色相机单个像素或光谱仪单个波长采集到的数据，求解如下方程细：
将求解得到的N、C带入如下公式即可得到单色相机单个像素或光谱仪单个波长对应的样品表面的反射差分信号：
其中j为虚数单位；
步骤D：对光谱仪对应的所有波长重复步骤C，即可获得样品表面的反射差分光谱；对单色相机所有像素重复步骤C，即可获得当前滤光片下，样品表面的反射差分图像；步骤E：对单色相机更换不同波长的滤光片，重复步骤步骤B至步骤D，即可获得样品表面的反射差分显微光谱。
以下结合具体实施例和附图，对本发明的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***及方法作进一步的详细说明。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种反射差分显微光谱测量***及其测量方法。图1为本发明实施例中反射差分显微光谱测量***的示意图。如图1所示，包括：光源1、第一光纤2、准直镜3、第一分束器4、第一旋转装置5、偏振器6、第二旋转装置7、调制器8、显微物镜9、样品10、第二分束器11、滤光片12、筒镜13、单色相机14、汇聚镜15、第二光纤16、光谱仪17。这里光源1可选用氙灯。第一光纤2与第二光纤16可选用纤芯直径为200～1000微米的多模光纤。准直镜3可选用复消色差透镜。第一分束器4与第二分束器11可选用1：1非偏振薄膜分束器。第一旋转装置5与第二旋转装置7可选用带通孔的电动旋转位移台。偏振器6可选用格兰汤姆逊型偏振立方，并与第一旋转装置5连接。调制器8可选用液晶可变延迟器，并与第二旋转装置7连接。显微物镜9可以选用偏振光适用的5倍平场复消色差显微物镜。滤光片12可选用传统镀膜带通滤光片。筒镜13可选用无限远校正用筒镜。单色相机14可选用低噪声科研级CCD相机。汇聚镜15可选用复消色差透镜。光谱仪17可选用高灵敏科研级CCD式一体化光谱仪。
光源1的光线通过第一光纤2后，由准直镜3变为平行光束，此平行光束入射第一分束器4后，由第一分束器4产生的出射光束通过偏振器6后成为线性偏振光，然后经过调制器8，调制后的光束由显微物镜9汇聚后入射到样品10表面；样品10表面反射的光束经过显微物镜9后入射到调制器8，再经由偏振器6成为线性偏振光，此线性偏振光经由第一分束器4后的透射光束入射到第二分束器11；第二分束器11的透射光经过滤光片12和筒镜13后，汇聚进入并成像于单色相机14；第二分束器11的反射光经过汇聚镜15和第二光纤16后，进入光谱仪17；测量反射差分光学信号时，各个光学器件无机械转动。
本发明提供的一种基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***，能够实现对样品光学反射各向异性的显微光谱测量。反射差分模块实现对光束的偏振调制功能，是获得样品反射差分光学信号的关键。液晶可变延迟器的设置，能够实现光学信号的电光调制，避免了信号测量时机械转动引起的误差与噪声。分束器的设置，将相对于样品的入射光路与出射光路重合，便于应用高倍率显微物镜，实现光学显微测量。本发明的光谱测量范围为400～850nm，样品测试光斑直径为1～2mm，横向光学分辨力优于2微米。
图2为本发明实施例中基于液晶可变延迟器的反射差分显微测量方法的流程框图。如图2所示，包括：步骤A：偏振器6由第一旋转装置带动旋转至一方位角后保持静止，产生固定方位角的线性偏振光；调制器8在第二旋转装置带动下，转动至与偏振器6方位角相差45°的位置；步骤B：调制器8在每一次测量过程中均改变n个相位延迟值δi(i＝1，2，3，...n)，其中n≥3；单色相机14对应于调制器8的n个相位延迟值采集n次光强图像，单色相机14中单个像素获得的光强对应为Ii(i＝1，2，3，...n)；步骤C：根据单色相机14中单个像素采集到的光强数据，求解如下方程组：
将求解得到的N、C带入如下公式即可得到反射差分信号：
其中j为虚数单位。步骤D：对单色相机14的所有像素重复步骤C，即可获得当前滤光片12下、样品10表面的反射差分图像。步骤E：更换不同波长的滤光片12，重复步骤步骤B至步骤D，即可获得样品10表面的反射差分显微光谱。
本发明在每一次显微测量过程中：偏振器6由第一旋转装置带动旋转至一方位角后保持静止，产生固定方位角的线性偏振光；调制器8在第二旋转装置带动下，转动至与偏振器6方位角相差45°的位置；调制器8在每一次测量过程中均改变n个相位延迟值δi(i＝1，2，3，...n)，其中n≥3；单色相机14对应于调制器8的n个相位延迟值采集n次光强图像，单色相机14中单个像素获得的光强对应为Ii(i＝1，2，3，...n)；根据单色相机14中单个像素采集到的光强数据，求解如下方程组：
将求解得到的N、C带入如下公式即可得到反射差分信号：
其中j为虚数单位；对单色相机13的所有像素计算反射差分信号，即可获得当前滤光片12下、样品10表面的反射差分图像。更换不同波长的滤光片12，并测量样品10的反射差分图像，即可获得样品10表面在不同波长下的反射差分显微光谱。
图3为本发明实施例中基于液晶可变延迟器的反射差分光谱测量方法的流程框图。如图3所示，包括：步骤A：偏振器由第一旋转装置带动旋转至一方位角后保持静止，产生固定方位角的线性偏振光；调制器在第二旋转装置带动下，转动至与偏振器方位角相差45°的位置；步骤B：调制器在每一次测量过程中均改变n个相位延迟值δi(i＝1，2，3，...n)，其中n≥3；光谱仪对应于调制器的n个相位延迟值采集n次光谱数据，光谱仪中单个波长下获得的光强对应为Ii(i＝1，2，3，...n)；步骤C：根据光谱仪单波长采集到的光强数据，求解如下方程组：
将求解得到的N、C带入如下公式即可得到样品在该波长下的反射差分信号：
其中j为虚数单位。步骤D：对光谱仪对应的所有波长重复步骤C，即可获得样品表面的反射差分光谱。
本发明在每一次光谱测量过程中：偏振器由第一旋转装置带动旋转至一方位角后保持静止，产生固定方位角的线性偏振光；调制器在第二旋转装置带动下，转动至与偏振器方位角相差45°的位置；步骤B：调制器在每一次测量过程中均改变n个相位延迟值δi(i＝1，2，3，...n)，其中n≥3；光谱仪对应于调制器的n个相位延迟值采集n次光谱数据，光谱仪中单个波长下获得的光强对应为Ii(i＝1，2，3，...n)；步骤C：根据光谱仪单波长采集到的光强数据，求解如下方程组：
将求解得到的N、C带入如下公式即可得到样品在该波长下的反射差分信号：
其中j为虚数单位。步骤D：对光谱仪对应的所有波长重复步骤C，即可获得样品表面的反射差分光谱。
至此，本发明一实施例一种基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***介绍完毕。
至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***有了清楚的认识。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
综上所述，本发明能够实现对样品光学反射各向异性的显微光谱测量。本发明中反射差分光学信号的测量基于电光偏振调制，测量中无机械转动；此外，本发明对照明光强分布的不均匀性不敏感，还可同步进行显微测量与光谱测量，具有结构简单、稳定性好、调节方便等特点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***，其特征在于，包括：
光源模块，用于产生非偏振可见复色平行光束；
第一分束器，将所述光源模块输出的光束反射进入光路，使通过分束器的出射光束继续透射到光路中；
反射差分模块，其连接所述第一分束器，对所述第一分束器出射的光束进行偏振态或相位延迟调制；
显微物镜，位于反射差分模块与待测样品之间，用于实现临界照明和光学显微功能；
第二分束器，其连接所述第一分束器，将所述第一分束器输出的光束透射和反射后进入对应的信号采集模块；
信号采集模块，其连接所述第二分束器，用于光强信号采集。
2.根据权利要求1所述的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***，其特征在于，
所述信号采集模块为单色成像模块或光谱测量模块；
其中，所述单色成像模块用于进行单色光强图像采集；
所述光谱测量模块用于进行光强谱采集。
3.根据权利要求1所述的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***，其特征在于，所述反射差分模块包括：
偏振器，用于将由所述第一分束器反射的非偏振光调制为线性偏振光，同时检测样品表面的出射光束在当前偏振方向上的振幅；
调制器，用于对光束进行相位延迟调制；
第一旋转装置，与所述偏振器连接并控制其方位角；以及
第二旋转装置，与所述调制器连接并控制其方位角。
4.根据权利要求1所述的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***，其特征在于，
所述调制器为液晶可变相位延迟器。
5.根据权利要求1所述的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***，其特征在于，
所述光源模块包括：
光源，用于输出非偏振复色光；
第一光纤，用于传导所述光源输出的光束；以及
准直镜，用于将所述第一光纤输出的光调整为平行光束。
6.根据权利要求2所述的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***，其特征在于，
所述单色成像模块包括：
滤光片，用于实现单色光滤波；
筒镜，用于与所述显微物镜构成无限远校正成像***；以及
单色相机，位于所述筒镜焦点处，对样品单色成像。
7.根据权利要求2所述的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***，其特征在于，
所述光谱测量模块包括：
汇聚镜，用于将平行光汇聚；
第二光纤，用于传导所述汇聚镜形成的汇聚光；以及
光谱仪，用于测量光强度谱数据。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***，其特征在于，
测试光斑直径为1～2mm，光学分辨力为2μm，光谱测量范围为400～850nm。
9.一种利用权利要求1～8中任一项所述的基于液晶可变延迟器的反射差分光学测量***进行的反射差分光学显微测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：偏振器由第一旋转装置带动旋转至一方位角后保持静止，产生固定方位角的线性偏振光；调制器在第二旋转装置带动下，转动至与偏振器方位角相差45°的位置；
步骤B：调制器在每一次测量过程中均改变n个相位延迟值δi(i＝1，2，3，...n)，其中n≥3；
单色相机对应于调制器的n个相位延迟值采集n次光强图像，单色相机中单个像素获得的光强对应为Ii(i＝1，2，3，...n)；
光谱仪对应于调制器的n个相位延迟值采集n次光谱数据，光谱仪中单个波长下获得的光强对应为Ii(i＝1，2，3，…n)；
步骤C：根据步骤B中单色相机单个像素或光谱仪单个波长采集到的数据，求解如下方程组：
将求解得到的N、C带入如下公式即可得到单色相机单个像素或光谱仪单个波长对应的样品表面的反射差分信号：
其中j为虚数单位；
步骤D：对光谱仪对应的所有波长重复步骤C，即可获得样品表面的反射差分光谱；对单色相机所有像素重复步骤C，即可获得当前滤光片下，样品表面的反射差分图像；
步骤E：对单色相机更换不同波长的滤光片，重复步骤步骤B至步骤D，即可获得样品表面的反射差分显微光谱。
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