一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪的误差校准方法技术

本发明专利技术提供一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪的误差校准方法，从整体上考虑了起偏调制单元与检偏调制单元的调制矢量，通过一系列简单测量即可完成对光学系统的校准。该方法不依赖于系统模型，避免了因建模偏差引入的系统误差，大幅度降低了误差校准的难度并且提高了系统的校准精度。与传统的参数标定法与特征值校准法相比，本发明专利技术不需要任何标准样品，也无需任何系统的先验信息，仅利用线偏振片与圆偏振片即可完成系统校准，操作方便，计算结果稳定。实验证明，本发明专利技术提出的双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪的校准方法能够有效降低系统各误差因素的影响，显著提高待测样品穆勒矩阵的测量精度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪的误差校准方法


[0001]本专利技术涉及光学
，具体涉及一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪的误差校准方法。

技术介绍

[0002]穆勒矩阵椭偏仪可以实现待测样品的全部16个穆勒矩阵元素m
st
(s,t＝1,2,3,4)的测量，进而可以得到待测样品的各向异性、退偏效应等更丰富的光学特性，应用领域广泛。但传统的穆勒矩阵椭偏仪存在测量速度慢、机械稳定性差、系统结构复杂等缺点。为解决传统穆勒矩阵椭偏仪存在的缺点，提出了一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪，该方案单次拍图分析便可实现待测样品全部穆勒矩阵元素的测量，光路简单、操作便捷、系统稳定性好、测量速度快。
[0003]双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪的光路示意图如图1所示，其从左至右依次并排设置起偏调制单元1、样品台2、检偏调制单元3与图像处理单元4。起偏调制单元包括光源101、起偏器102与第一涡旋四分之一波片103；样品台2上放置待测样品201；检偏调制单元包括第二涡旋四分之一波片301、检偏器302；图像处理单元包括图像传感器401和计算机402。该仪器的核心器件为一定阶次比的两个涡旋四分之一波片，并以此实现待测样品穆勒矩阵的调制。其物理模型可描述为：S
out
＝M
A
·
M
V2
·
M
s
·
M
V1
·
M
P
·
S
in
。上式中M
A
为检偏器302的穆勒矩阵，M
V2
为第二涡旋四分之一波片的穆勒矩阵，M
s
为待测样品201的穆勒矩阵，M
V1
为第一涡旋四分之一波片的穆勒矩阵，M
P
为起偏器102的穆勒矩阵，S
in
表示入射光的斯托克斯矢量。由于图像传感器只能感受到光强信息，故上式可进一步表述为：I＝[1 0 0 0]·
M
A
·
M
V2
·
M
s
·
M
V1
·
M
P
·
S
in
＝a
·
M
s
·
p。其中，p＝[p
1 p
2 p
3 p4]T
＝M
V1
·
M
P
·
S
in
，p定义为起偏调制单元1的调制矢量，其为光源发出的光波经过起起偏调制单元1后的斯托克斯矢量；a＝[a
1 a
2 a
3 a4]＝[1 0 0 0]·
M
A
·
M
V2
定义为检偏调制单元3的调制矢量，a为检偏调制单元3总体穆勒矩阵的第一行。为实现对待测样品穆勒矩阵的准确测量，系统中各光学元器件需按一定方位角放置，涡旋四分之一波片的快轴按预定规律在空间上均匀连续旋转，并保证各波片的相位延迟为π/2，此外还要求环境杂散光与图像传感器噪声均保持在较低水平。但在实际测量中，上述条件一般难以满足，从而导致测量误差。
[0004]现有的穆勒矩阵椭偏仪的误差校准方法可分为基于系统模型的参数标定法与不基于系统模型的特征值校准法两种。参数标定法需要建立包含各种误差因素的光学系统模型，研究各误差因素对测量结果的影响，通过对标准样品进行测量，并将测量结果带入误差模型进行拟合，进而计算出各误差参数，完成误差校准；特征值校准法则是对起偏器与检偏器进行整体考虑，对标准样品进行测量以计算出起偏器与检偏器真实的调制矩阵与分析矩阵，从而完成误差校准。与参数标定法相比，特征值校准法省去了繁杂的物理模型计算，能够有效简化误差校准过程。但上述两种方法仅针对传统穆勒矩阵椭偏仪系统中各固定的误差因素，如光学元件方位角误差、相位延迟误差等，无法满足对双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪系统中光源光强空间分布不均匀、涡旋波片快轴旋转不均匀等随方位角变化误差的校准，
因此这两种传统的误差校准方法在双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪系统中受到较大限制。
[0005]综上分析，有必要研究一种适用于双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪系统且解算过程简单的误差校准方法。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷，本专利技术提供了一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪的误差校准方法，整个校准过程中无需进行系统建模，整体考虑起偏调制单元与检偏调制单元的调制矢量，通过一系列简单测量即可完成系统的校准。
[0007]本专利技术提供一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪的误差校准方法，包括以下步骤：S0:提供双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪，双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪包括：依次并排设置的起偏调制单元、样品台、检偏调制单元与图像处理单元；起偏调制单元包括依次排布的光源、起偏器与第一涡旋四分之一波片；样品台上适于放置待测样品；检偏调制单元包括依次排布的第二涡旋四分之一波片和检偏器；第一涡旋四分之一波片位于起偏器和第二涡旋四分之一波片之间；步骤S1：从双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪中移除检偏调制单元；步骤S2：打开光源，将0度线偏振片、度线偏振片、度线偏振片、135度线偏振片、右旋圆偏振片和左旋圆偏振片分别单独置于起偏调制单元和图像传感器之间的样品台上，并利用图像传感器对相应出射光束进行采样以得到对应的第一光强调制图像、第二光强调制图像、第三光强调制图像、第四光强调制图像、第五光强调制图像和第六光强调制图像；第j光强调制图像随第j光强调制图像的方位角呈明暗交替变化；j为大于或等于1且小于或等于6的整数；步骤S3:对第一光强调制图像、第二光强调制图像、第三光强调制图像、第四光强调制图像、第五光强调制图像和第六光强调制图像分别进行处理以得到对应的第一光强调制函数第二光强调制函数第三光强调制函数第四光强调制函数第五光强调制函数和第六光强调制函数第j光强调制函数为第j光强调制图像中的光强随着方位角变化的函数；第一光强调制函数第二光强调制函数第三光强调制函数第四光强调制函数第五光强调制函数和第六光强调制函数满足第一矩阵方程：
[0008][0009]p＝[p
1 p
2 p
3 p4]T
；p为起偏调制单元的调制矢量；
[0010]步骤S4：对所述第一矩阵方程组进行求解以得到起偏调制单元的调制矢量p；步骤S5：将检偏调制单元安装回双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪中，第二涡旋四分之一波片位于检偏器和起偏调制单元之间，之后，从起偏调制单元中移除起偏器与第一涡旋四分之一波片；步骤S6：将0度线偏振片、45度线偏振片、90度线偏振片、135度线偏振片、右旋圆偏振片和左
旋圆偏振片分别单独置于检偏调制单元和光源之间的样品台上，并利用图像传感器对检偏调制单元的出射光束进行采样以得到对应的第七光强调制图像、第八光强调制图像、第九光强调制图像、第十光强调制图像、第十一光强调制图像和第十二光强调制图像；第i光强调制图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪的误差校准方法，其特征在于，包括：S0:提供双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪，双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪包括：依次并排设置的起偏调制单元、样品台、检偏调制单元与图像处理单元；起偏调制单元包括依次排布的光源、起偏器与第一涡旋四分之一波片；样品台上适于放置待测样品；检偏调制单元包括依次排布的第二涡旋四分之一波片和检偏器；第一涡旋四分之一波片位于起偏器和第二涡旋四分之一波片之间；步骤S1：从双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪中移除检偏调制单元；步骤S2：打开光源，将0度线偏振片、度线偏振片、度线偏振片、135度线偏振片、右旋圆偏振片和左旋圆偏振片分别单独置于起偏调制单元和图像传感器之间的样品台上，并利用图像传感器对相应出射光束进行采样以得到对应的第一光强调制图像、第二光强调制图像、第三光强调制图像、第四光强调制图像、第五光强调制图像和第六光强调制图像；第j光强调制图像随第j光强调制图像的方位角呈明暗交替变化；j为大于或等于1且小于或等于6的整数；步骤S3:对第一光强调制图像、第二光强调制图像、第三光强调制图像、第四光强调制图像、第五光强调制图像和第六光强调制图像分别进行处理以得到对应的第一光强调制函数第二光强调制函数第三光强调制函数第四光强调制函数第五光强调制函数和第六光强调制函数第j光强调制函数为第j光强调制图像中的光强随着方位角变化的函数；第一光强调制函数第二光强调制函数第三光强调制函数第四光强调制函数第五光强调制函数和第六光强调制函数满足第一矩阵方程：p＝[p
1 p
2 p
3 p4]
T
；p为起偏调制单元的调制矢量；步骤S4：对所述第一矩阵方程组进行求解以得到起偏调制单元的调制矢量p；步骤S5：将检偏调制单元安装回双涡旋波片穆勒矩阵椭偏仪中，第二涡旋四分之一波片位于检偏器和起偏调制单元之间，之后，从起偏调制单元中移除起偏器与第一涡旋四分之一波片；步骤S6：将0度线偏振片、45度线偏振片、90度线偏振片、135度线偏振片、右旋圆偏振...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷兵，高超，翁剑宇，曹晓昱，张斌，施建华，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：