基于Mueller矩阵成像椭偏仪的纳米结构几何参数大面积测量

为了实现有效的工艺监控,在批量化纳米制造中对纳米结构的关键尺寸等几何参数进行快速、低成本、非破坏性的精确测量具有十分重要的意义.光学散射仪目前已经发展成为批量化纳米制造中纳米结构几何参数在线测量的一种重要手段.传统光学散射测量技术只能获得光斑照射区内待测参数的平均值,而对小于光斑照射区内样品的微小变化难以准确分析.此外,由于其只能进行单点测试,必须要移动样品台进行扫描才能获得大面积区域内待测参数的分布信息,从而严重影响测试效率.为此,本文将传统光学散射测量技术与显微成像技术相结合,提出利用Mueller矩阵成像椭偏仪实现纳米结构几何参数的大面积快速准确测量.Mueller矩阵成像椭偏仪具有传统Mueller矩阵椭偏仪测量信息全、光谱灵敏度高的优势,同时又有显微成像技术高空间分辨率的优点,有望为批量化纳米制造中纳米结构几何参数提供一种大面积、快速、低成本、非破坏性的精确测量新途径.

基于Mueller矩阵的水下偏振成像方法

水下偏振成像技术利用目标信息光与背景散射光的偏振特性差异实现清晰成像,在水下目标探测和识别等领域有重要价值。但多材质目标表面反射情况和退偏效应存在差异,无法有效提取上述偏振特性差异。针对这一问题,文中提出一种基于Mueller矩阵的水下偏振成像方法。利用Mueller矩阵探测水下场景中的光强信息以及目标物与水体的偏振信息,精确求解浑浊场景中目标物与背景散射光的偏振度信息,结合传统水下成像技术构建基于Mueller矩阵的水下偏振成像方法,有效分离目标信息光与背景散射光,提升成像质量,实现水下多材质目标物的清晰重建。

基于频率调制与分振幅解调的广义光谱椭偏技术

提出了一种基于频率调制与分振幅解调的广义光谱椭仪方案,与现有时间调制型与时频混合调制型广义光谱椭偏技术相比,其不含运动部件与电控元件,可实现被测样品全部16个Mueller矩阵元素光谱的实时测量。与现有频率调制型广义光谱椭偏技术相比,其测量结果的光谱分辨率更高且降低了通道串扰产生的概率。

单电机驱动广义椭偏仪变角结构设计与实现

针对目前常见广义椭偏仪变角结构多采用双电机驱动,且存在结构复杂、变角后光路存在偏离等问题,论文提出一种单电机驱动广义椭偏仪新的变角结构。该结构采用固定起偏臂,利用同步齿轮传动单电机驱动方式使载物台和检偏臂同步旋转,实现椭偏仪多角度测量。在传统卧式结构广义椭偏仪变角结构基础上,设置样品载物台和检偏臂1∶2同步传动,并通过Inventor运动仿真验证了本结构的可行性。论文提出的单电机驱动变角结构变角后不仅维持了变角前后的准直,而且其整体结构简单,极大地优化了椭偏仪变角的复杂度,在广义椭偏仪工程化进程中有比较重要的应用价值。

全反射式宽光谱成像椭偏仪

本论文采用全反射式光学聚焦结构,通过独特的偏振控制技术,实现宽光谱、无色差成像椭偏仪的研制。在系统校准过程中采用多样品校准方法,利用校准得到的系统参数对待测样品进行成像椭偏分析,确定样品椭偏角ψ和s及薄膜厚度的空间分布。为测试自制成像椭偏仪的准确性,本文对3 nm^300 nm的Si O2/Si样品在200 nm^1 000 nm内多波长下进行成像椭偏测量。实验结果表明,Si O2薄膜厚度最大相对测量误差小于6%。

斯托克斯椭偏仪的非线性最小二乘拟合偏振定标

由于传统的斯托克斯椭偏仪定标方法中入射光源的偏振效应、定标单元中光学元件的制造与装调误差都会降低仪器矩阵的定标精度,从而影响偏振态的测量精度,本文提出了基于非线性最小二乘拟合算法的仪器矩阵偏振定标方法.该方法将描述定标单元的参量和仪器矩阵的所有矩阵元一起作为未知参数,根据偏振光学传输理论建立探测光强与未知参数的函数关系式；然后,基于非线性最小二乘拟合方法拟合实际探测光强随定标单元方位角的变化曲线,进而得到斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵.实验中使用该方法和传统方法在500～700 nm波段分别定标了KD＊P型斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵.结果显示,新方法在500～600 nm波段获得的斯托克斯参数的总均方根（RMS）偏差为1.6％,较传统定标方法提高约0.5％；波长大于600 nm时,由于系统信噪比降低使得新方法的测量精度降为2.4％,但仍然远高于传统方法的测量精度.结果表明,提出的方法简单易行,适用于各种斯托克斯椭偏仪的仪器矩阵定标.

一种改进激光偏振主动成像的建模及理论分析

提出一种改进激光偏振主动成像的实验方法,给出实验装置原理图,详细分析实验装置的成像原理。在分析目标M ueller矩阵测量方法的基础上,给出改进后激光偏振成像装置偏振度和强度的计算公式,从理论上证明了该方法的可行性。然后针对实验仪器的要求分析了实验装置存在的误差,以及Cassegrain望远镜对目标散射光的消偏现象。该方法与利用双旋转波片技术(DRRT)测量目标散射光的偏振度和强度相比可以降低对实验装置的精度要求,同时可以提高测量速度,不需要进行16次测量,只需1次就可以测量出目标散射光的偏振度和强度,进而得到偏振度和强度图像。

采用条纹管激光成像系统的偏振成像实验

采用条纹管激光成像系统的激光偏振成像是对现有的条纹管激光三维成像的进一步延伸,如果在充分利用该成像系统获得的强度像和距离像的基础上,再加上偏振信息,则能实现对目标高精度的探测和识别。对采用条纹管的激光偏振成像进行了初步的实验研究,提出了两次测量的偏振成像实验方法,处理了实验中获得的几种特定目标的条纹图像,得到了目标的强度像和偏振度图像,并进行了比较。结果表明:偏振度图像比强度像对比度高,克服了光源辐照不均匀的缺点。证实了偏振成像的可行性,为完善成像实验系统,提出了用一次测量就能完成偏振成像的实验方法,融合强度像和偏振度图像的处理方法将实现对目标更高精度的探测。

分振幅光偏振测量仪

分振幅光偏振测量仪(DOAP)是高速测量光偏振的传感器,它利用振幅分割原理,能够同时近似实时地测量出描述光偏振态的所有4个Stokes参数。从装置结构、定标方法、工作波长和应用领域等方面,对最近20年多年来国内外在该领域的研究状况进行了较为详细的分析和总结,并指出了该技术的发展方向。

激光偏振主动探测及成像系统的误差研究以及系统的改进

利用Mueller矩阵,以三种典型目标为模型,全面分析了主动偏振成像系统的误差来源。在实验系统典型参数下,对偏振度误差进行了模拟。提出了利用标准偏振度目标校准系统参数的方法,提高了实验系统的精度。以仿真结果为基础,对实验系统进行了进一步的改进。通过对实验元件参数和位置的合理配置,该实验系统能够提供高精度的目标偏振度探测。误差分析结果为偏振成像实验系统元件参数的选择提供了重要的参考依据,同时也为实验系统的改进提供了理论支持。

单电机驱动椭偏双补偿器旋转结构及系统控制

针对目前双伺服电机控制补偿器旋转的椭偏测量技术中电机同步旋转控制复杂,且探测器同步信号触发采集困难、长时间运行稳定性差等缺点。提出一种基于单电机驱动的双相位补偿器旋转结构以及控制方法。该结构中与伺服电机连接的同步齿轮的直径比为5∶3,不同的齿轮直径是为实现对双旋转补偿器的差速控制,结合双旋转补偿器椭偏测量理论,实现样品的多维度信息获取;且基于控制理论设计伺服电机驱动电路和信号触发采集电路,完成相关硬件方面设计。最终实现系统在长时间运行过程中补偿器转速稳定可控,一次测量可得穆勒矩阵16个参数,为椭偏测量样品各维度信息提供理论依据及技术支撑。

偏振成像的乳腺癌病理切片检测方法

生物组织具有与其结构和功能相关的固有光学特性,偏振成像技术能够根据组织正常和恶性变化之间的微观结构差异,表现出不同的偏振特性,从而实现两者区分。设计了一套采集组织背向散射光Mueller矩阵的自动成像系统,对两种常见的乳腺癌病理组织切片分别进行Mueller矩阵成像实验,并对所得到的Mueller矩阵图像数据采用Mueller矩阵分解方法,分别提取出样本Mueller矩阵中具有清晰物理意义的参数图像。实验结果表明,相应的Mueller矩阵分解参数图像可以区分癌变组织和非癌变组织。这为乳腺癌的快速病理诊断提供了一种新的思路。

基于Mueller矩阵椭偏仪的纳米压印模板与光刻胶光栅结构准确测量

在纳米压印工艺中,对模板和压印结构的几何参数进行快速、低成本、非破坏性地准确测量具有非常重要的意义.与传统光谱椭偏仪只能改变波长和入射角2个测量条件并且在每一组测量条件下只能获得振幅比和相位差2个测量参数相比,Mueller矩阵椭偏仪可以改变波长、入射角和方位角3个测量条件,而且在每一组测量条件下都可以获得一个4×4阶Mueller矩阵共16个参数,因此可以获得更为丰富的测量信息.通过选择合适的测量条件配置,充分利用Mueller矩阵中的测量信息,有望实现更为准确的纳米结构测量.基于此,本文利用自主研制的Mueller矩阵椭偏仪对硅基光栅模板和纳米压印光刻胶光栅结构进行了测量.实验结果表明,通过对Mueller矩阵椭偏仪进行测量条件优化配置,并且在光学特性建模时考虑测量过程中出现的退偏效应,可以实现压印工艺中纳米结构线宽、线高、侧壁角以及残胶厚度等几何参数更为准确的测量,同时对于纳米压印光刻胶光栅结构还可以直接得到光斑照射区域内残胶厚度的不均匀性参数.

Mueller矩阵成像偏振仪的误差标定和补偿研究

Mueller矩阵成像偏振仪是测量材料和器件偏振特性的重要仪器,也是测量浸没光刻机偏振像差的检测仪器,该偏振仪由偏振态产生器和偏振态分析器组成。其组成中的λ/4波片相位延迟量误差及其快轴方位角误差与偏振片透光轴的方位角误差是影响Mueller矩阵成像偏振仪测量精度的主要误差源。通过对本课题组研制的Mueller矩阵成像偏振仪中5个主要误差因素进行标定和补偿,显著提高了其测量精度。利用傅里叶分析法获得各项傅里叶系数,并根据各个误差与傅里叶系数的关系,实现了这些误差的标定,即达到对Mueller矩阵成像偏振仪误差标定的目的。根据标定出的误差大小对Mueller矩阵成像偏振仪进行了补偿。实验结果表明,通过对器件参数误差标定和补偿,Mueller矩阵成像偏振仪的测量精度由0.2015提高到0.1051,提高了47.84%。最后用该Mueller矩阵成像偏振仪对一个物镜系统的偏振像差进行了测量,重复测量精度达到了1.1%。

穆勒矩阵成像椭偏仪误差源的简化分析方法

针对穆勒矩阵成像椭偏仪的系统误差源提出一种简化分析方法,将光强曲线的理想傅里叶级数系数组与实际系数组进行近似匹配,建立穆勒矩阵测量误差与误差源参数之间的线性模型。针对解析式复杂的随机方位角误差,从统计学角度提出了一种等效噪声模型以分析其对测量结果的影响。采用上述简化方法系统分析了椭偏仪的6种系统误差源和2种随机误差源对穆勒矩阵测量结果的影响,并以一个典型光刻投影物镜的穆勒光瞳为检测对象,进行了检测仿真。仿真结果验证了所提方法分析的准确性。

斯托克斯椭偏仪仪器矩阵在位定标方法

斯托克斯椭偏仪可以快速测量薄膜材料的光学参数,其仪器矩阵的精确度直接影响系统对薄膜反射光线斯托克斯参量的测量,间接限制了薄膜参数的测量精度。对线偏振光与标准薄膜片产生不同偏振态的机制进行理论推导,并根据四点定标法原理,利用线偏振光与标准薄膜片组合的在位定标方法实现对斯托克斯椭偏仪仪器矩阵的精确测量,有效避免了传统定标方法中光学元件方位角及其不完美产生的误差,进而提高了薄膜光学参数的测量精度。实验表明,采用在位定标方法,薄膜反射光线的斯托克斯参量的测量精度达0.6%,薄膜厚度及折射率的测量偏差分别小于0.2nm及0.003。

一种全偏振参数的显微测量系统

本文设计了一种用于Mueller矩阵测量的全偏振参数显微镜测量系统。该测量系统以液晶调制器键合于偏振分束棱镜表面的模块为核心器件,实现了以10次光强获取为周期的Mueller矩阵参数测量功能,能够方便地实现Mueller矩阵中全部参数图像的实时测量,比前人设计系统的测量效率有很大提高。基于该系统,本文进行了Mueller矩阵快速调制测量方案的具体设计,并给出了测量结果。论文还对该系统进行了测量误差的分析,实验结果及误差分析表明,系统的相对测量误差能够控制在2%以内。

基于Mueller矩阵的偏振抑制反光方法

针对利用主动光进行透窗探测所产生的反光问题,若仅依赖单偏振抑制反光,目标与背景之间对比度低,难以适用于强反射干扰下的目标透窗成像。而利用双偏振正交抑制反光,虽然对比度有所提高,但图像整体亮度较低,识别暗弱目标具有挑战性。本文以玻璃的镜面反光作为干扰对象,首先分析偏振抑制反光的能力,其次分析不同光源入射角下Mueller矩阵元素的变化规律,最后采用退偏图像来提高目标的显著性。结果表明,Mueller矩阵中M22和M33图像在灰度值的分布中明显不同于其他矩阵元素,通过M22和M33生成的退偏图像可有效区分目标与背景。该方法在保证图像整体亮度较高的同时,有效地提高了目标与背景之间的对比度,从而可应用于强反射干扰下的目标透窗成像以及暗弱目标的识别。

基于Mueller矩阵的生物细胞偏振显微成像

相比常规的显微成像技术,Mueller矩阵偏振显微成像技术能提供更多介质微观结构的特征信息。因此,设计了一组基于双波片旋转的显微成像系统,通过选取特殊的不相关入射偏振态,实现了快速Mueller矩阵计算成像。用该系统对浸泡在不同质量分数葡萄糖溶液的洋葱内表皮细胞和不同活性状态的人喉癌细胞进行了成像研究。实验结果表明,该系统的测量误差小于4.35%。相比表征样本表面结构特征的传统强度成像,偏振成像可以更有效地检测出样本的变化情况,为生物医学领域提供了一种新的研究方法。

机械拉伸下乳腺导管内癌组织的Mueller矩阵表征

相较于传统非偏振光学表征方法,Mueller矩阵成像偏振(MMIP)法可以表征丰富的生物组织微观结构,在癌症病理诊断方面有着巨大的应用潜力.研究了机械拉伸下不同生物组织结构的MMIP表征,在MMIP系统的基础上增加机械拉伸模块,通过机械拉伸改变生物组织的光学特性.采用Mueller矩阵极化分解方法提取了可以表征介质基本偏振特性的2个表征参数,即二向色性(D)和散射退偏(△).以乳腺导管内癌组织及正常乳腺组织为研究对象,分析了不同组织结构之间表征参数的平均值差值的变化趋势及其变化率在机械拉伸作用下的变化规律.结果表明:在机械拉伸作用下,不同组织结构之间的D参数平均值差值呈减小趋势,差值变化率最大可达7.9%,△参数平均值差值亦呈现减小趋势,差值变化率最大可达12.7%.研究结果为基于偏振成像的癌症病理诊断提供了参考.