層析穆勒矩陣散射儀研究.pdf

1、橢偏測(cè)量術(shù)是一種利用光的偏振特性獲取樣品信息的光學(xué)測(cè)量方法，其核心是通過(guò)測(cè)量樣品的反射光或透射光，從而獲得偏振光在反射或透射前后的偏振狀態(tài)變化，進(jìn)而從中提取出樣品的信息。近年來(lái)隨著橢偏測(cè)量術(shù)的儀器化開發(fā)、應(yīng)用以及理論解釋等研究的迅速發(fā)展，該技術(shù)已成功應(yīng)用于半導(dǎo)體、光伏產(chǎn)業(yè)、平板顯示、生物、電化學(xué)等多種領(lǐng)域，并顯示出越來(lái)越豐富的應(yīng)用前景。
　　伴隨著橢偏測(cè)量術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的延伸，傳統(tǒng)橢偏測(cè)量設(shè)備，如光譜橢偏儀，僅能收集平面反射光或零級(jí)衍

2、射光，這一局限性極大地制約了橢偏測(cè)量術(shù)更廣泛的應(yīng)用，使其無(wú)法勝任復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)、生物組織結(jié)構(gòu)、渾濁介質(zhì)材料等新興領(lǐng)域的應(yīng)用測(cè)量需求。此時(shí)入射偏振光與待測(cè)樣品的相互作用不再是簡(jiǎn)單的衍射問(wèn)題或薄膜干涉問(wèn)題而是復(fù)雜的光學(xué)散射問(wèn)題。僅利用單一方向的散射光（如平面反射）進(jìn)行橢偏分析已經(jīng)無(wú)法表征樣品的偏振特性，而需要獲得全面的樣品偏振散射場(chǎng)分布信息。同時(shí)，由于待測(cè)樣品中多重散射光的非相干疊加，獲得的測(cè)量信息中可能存在顯著的退偏效應(yīng)，僅通過(guò)橢偏參數(shù)已經(jīng)

3、無(wú)法準(zhǔn)確描述待測(cè)樣品的偏振特性，而需要采用包含偏振信息更全面的穆勒矩陣描述。因此，在諸如復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)、生物組織結(jié)構(gòu)、渾濁介質(zhì)材料等新興應(yīng)用領(lǐng)域中，傳統(tǒng)光譜橢偏測(cè)量設(shè)備已經(jīng)無(wú)法滿足其日益復(fù)雜的測(cè)量需要，需要能實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品完整或大部分偏振散射測(cè)量的新型光學(xué)儀器。
　　本論文圍繞偏振散射測(cè)量這一主題，以傳統(tǒng)光譜橢偏儀為基礎(chǔ)，結(jié)合層析衍射成像技術(shù)，提出研制一種稱為層析穆勒矩陣散射儀的新型光學(xué)儀器。該儀器采用大數(shù)值孔徑物鏡并利用平面反射鏡在

4、其后焦面實(shí)現(xiàn)照明光束的快速掃描，使其具有多入射角測(cè)量的能力，同時(shí)通過(guò)獲取物鏡后焦面圖像得到樣品在單一入射角下的散射場(chǎng)分布，從而克服了傳統(tǒng)橢偏儀只能獲取單一方向散射場(chǎng)信息的弱點(diǎn)。通過(guò)引入穆勒矩陣橢偏儀技術(shù)，使測(cè)量所得散射場(chǎng)上每一個(gè)點(diǎn)均包含一個(gè)4?4階穆勒矩陣，即儀器在每一個(gè)入射角下均有一組散射穆勒矩陣，進(jìn)而可以表征樣品完整的偏振特性，因而比傳統(tǒng)光譜橢偏儀獲得更豐富的測(cè)量信息。結(jié)合多入射角下的散射穆勒矩陣可得到樣品全散射穆勒矩陣，能實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)

5、確、更靈敏、更完整的樣品偏振散射場(chǎng)表征。按照工作開展順序，課題研究工作和創(chuàng)新成果可以歸納為以下幾個(gè)方面：
　　系統(tǒng)研究了層析穆勒矩陣散射儀測(cè)量原理，提出了樣品全散射穆勒矩陣的測(cè)量理論與方法。建立了基于雙旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器型偏振測(cè)量系統(tǒng)任意轉(zhuǎn)速比下穆勒矩陣求解的通用數(shù)學(xué)模型；提出了一種高分辨測(cè)量入射角掃描方法；推導(dǎo)了成像系統(tǒng)頻域圖像與樣品散射場(chǎng)分布的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系；研制了第一臺(tái)層析穆勒矩陣散射儀原理樣機(jī)，分析了照明光路設(shè)計(jì)、成像光路設(shè)計(jì)、偏振

6、系統(tǒng)布置中主要設(shè)計(jì)問(wèn)題，提供了各核心光學(xué)元件選型依據(jù)；提出了一種雙旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器電機(jī)與相機(jī)高精度同步數(shù)據(jù)采集的方法；開發(fā)了測(cè)量數(shù)據(jù)處理程序和用戶操作界面。
　　研究了層析穆勒矩陣散射儀誤差來(lái)源和分類，推導(dǎo)了儀器系統(tǒng)參數(shù)誤差傳遞公式，評(píng)估了儀器系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響；提出了一種以系統(tǒng)矩陣條件數(shù)為評(píng)價(jià)函數(shù)的儀器系統(tǒng)優(yōu)化模型，并結(jié)合全局靈敏度分析方法得到了儀器測(cè)量的最優(yōu)系統(tǒng)配置參數(shù)。
　　系統(tǒng)研究了層析穆勒矩陣散射儀的標(biāo)定方法，有效

7、提高了儀器的測(cè)量精度。針對(duì)層析穆勒矩陣散射儀測(cè)量過(guò)程中偏振系統(tǒng)參數(shù)誤差，提出了一種基于非線性回歸算法的儀器系統(tǒng)標(biāo)定方法；針對(duì)因相機(jī)曝光模式引起補(bǔ)償器初始方位角標(biāo)定誤差，提出了線性擬合插值的補(bǔ)償修正方法；針對(duì)平面反射鏡安裝及其轉(zhuǎn)臺(tái)失步、回程誤差等因素引起的照明入射角誤差，提出了一種基于光柵標(biāo)準(zhǔn)樣品的照明入射角標(biāo)定方法；針對(duì)非偏振分光鏡殘余偏振誤差，提出了一種非偏振分光鏡偏振特性在線修正方法；針對(duì)成像系統(tǒng)中高 NA物鏡偏振像差，提出了一種高

8、 NA物鏡偏振像差的在線標(biāo)定方法。
　　開展了納米結(jié)構(gòu)三維形貌重構(gòu)和生物組織微結(jié)構(gòu)的偏振散射特性表征等兩類應(yīng)用測(cè)量研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一維硅基光柵模板三維形貌重構(gòu)，并首次定量表征了兩類閃蝶的蝶翅鱗片的偏振散射特性。對(duì)于一維周期性硅模板，通過(guò)求解逆散射問(wèn)題提取出樣品的三維形貌參數(shù)，展現(xiàn)了儀器在納米結(jié)構(gòu)三維形貌重構(gòu)中的應(yīng)用潛力；對(duì)于閃蝶鱗片上微納尺度的生物組織，采用矩陣分解的方法得到了其在垂直入射下偏振散射特性，為仿生微納材料器件制備提供理