快速一般化的多波长椭圆偏振仪的制作方法

快速一般化的多波长椭圆偏振仪
1.相关专利申请的交叉引用
2.本技术根据35usc 119要求2020年2月20日提交的名称为“fast generalized multi-wavelength ellipsometer”的美国非临时申请号16/796,648的优先权，该非临时申请全文以引用方式并入本文。


背景技术：

3.椭圆偏振仪是检测从样本的表面反射的光的偏振状态的变化，以测量样本的特性的光学计量装置。传统的光谱椭圆偏振仪包括宽带光源、偏振状态发生器、偏振状态分析器和检测器。光谱椭圆偏振仪可用于产生多个波长上的一般化的(例如，全穆勒矩阵)椭圆偏振测量。通常，旋转光学器件(例如，旋转偏振器、分析器或补偿器中的一者或多者)用于生成椭圆偏振测量。然而，使用旋转光学器件生成测量相对较慢。
4.消除对旋转光学器件的需要的一种设计是四-检测器旋光仪，其中结合分束器或调制技术使用四个独立的偏振状态检测器(psd)。使用四个独立的psd消除了在椭圆偏振仪的检测侧上对旋转光学器件的需要，并且允许在从样本反射之后同时测量光束的整个偏振状态。然而，四-检测器旋光仪存在若干缺点。例如，初始偏振状态要么是45
°
线偏振光，将最终测量限制为16个穆勒元素中的12个，或者通过若干输入偏振在时间上进行调制，这增加了测量时间并且需要旋转光学元件。此外，仪器要么被设计成单波长椭圆偏振仪，或者需要使用4个不同的光谱仪，每个psd使用一个光谱仪，从而需要复杂的校准和计算机控制来操作。此外，工具使用4个单独的光束路径，每个psd使用一个光束路径，使得该工具难以校准、难以对准，并且价格高昂。
5.期望一种改进的椭圆偏振仪，该椭圆偏振仪减少完成多个波长的一般化(全穆勒矩阵)椭圆偏振测量所需的时间。


技术实现要素：

6.椭圆偏振仪使用宽带光源和菲涅耳锥体来产生同时宽带偏振状态发生器，而没有移动部件。椭圆偏振仪的检测器包括衍射元件，以在空间上分离来自样本的光的波长。这些波长可以在空间上充分地分离使得在由二维传感器成像时没有波长带的重叠，或者可以在时间上分离。另外，检测器分离并且同时分析来自样本的光的偏振状态，因此当由二维传感器成像时不存在偏振状态的重叠，并且不使用移动部件。具有分离的波长和偏振状态的所得图像可用于确定样本的至少部分穆勒矩阵。
7.在一个实施方式中，椭圆偏振仪包括：光源，该光源发射具有多个波长的光；偏振器，该偏振器偏振光以产生偏振光；菲涅耳锥体，该菲涅耳锥体接收偏振光并且产生在多个波长中的每一个波长处具有多个偏振状态的样本光；透镜系统，该透镜系统使样本光入射到样本上并且接收来自样本的反射光；检测器，该检测器接收反射光，该检测器包括：至少一个衍射元件，该至少一个衍射元件分离反射光中的波长；偏振分离器，该偏振分离器接收反射光并且将反射光分离成多个偏振状态；二维传感器，该二维传感器接收在反射光的多
个偏振状态中的每一个偏振状态下的在空间上分离的波长的图像；以及处理器，该处理器从二维传感器接收图像，并且使用在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下的在空间上分离的波长的图像来确定样本的至少部分米勒矩阵。
8.在一个实施方式中，一种用椭圆偏振仪表征样本的方法包括生成具有多个波长的光；使光偏振；使用菲涅耳锥体修改偏振光以产生在多个波长中的每一个波长处具有多个偏振状态的样本光；使样本光入射到样本上，其中该样本光与样本相互作用并且被样本反射，从而产生反射光；使用至少一个衍射元件分离反射光中的波长；使用偏振分离器将反射光分离成多个偏振状态；使用二维传感器对在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下的在空间上分离的波长进行成像；以及使用在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下的在空间上分离的波长的图像来确定样本的至少部分米勒矩阵。
9.在一个实施方式中，椭圆偏振仪包括用于生成具有多个波长的光的构件；用于使光偏振的构件；用于修改偏振光以产生在多个波长中的每一个波长处具有多个偏振状态的样本光的构件；用于使样本光入射到样本上的构件，其中该样本光与样本相互作用并且被样本反射，从而产生反射光；用于分离反射光中的波长的构件；用于将反射光分离成多个偏振状态的构件；用于捕获在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下的分离波长的一个或多个图像的构件；以及用于使用在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下的分离波长的一个或多个图像来确定样本的至少部分穆勒矩阵的构件。
附图说明
10.图1示出了被配置为不使用移动部件跨多个波长测量样本的至少部分穆勒矩阵的椭圆偏振仪。
11.图2a和图2b示出了菲涅耳锥体的透视图和侧视图。
12.图3是示出对于给定波长由未修改的菲涅耳锥体输出的模拟光束的每个像素的组合斯托克斯矢量的相反条件数的图。
13.图4a、图4b、图4c和图4d示出了在一个波长下每个斯托克斯分量的菲涅耳锥体的模拟光瞳图。
14.图5a、图5b、图5c和图5d示出了在与用于生成图4a、图4b、图4c和图4d的波长不同的波长下每个斯托克斯分量的菲涅耳锥体的模拟光瞳图。
15.图6是示出由菲涅耳锥体中的45
°
tir产生的相移的偏振光束的相反条件的图。
16.图7是示出菲涅耳锥体上的涂层材料的折射率相对于波长的图，以针对不同波长产生恒定相移。
17.图8示出了由椭圆偏振仪的检测器中的波长衍射元件和偏振分离器执行的光束分类之后的反射光的模拟图像。
18.图9示出了模拟用于椭圆偏振仪的旋转单轴tio2膜的穆勒矩阵元素。
19.图10是示出可以与椭圆偏振仪一起使用的检测器的实施方式的图。
20.图11示出了由宽带频率梳状光源或傅里叶域锁模激光光源产生的具有多个非连续波长带的光谱，该宽带频率梳状光源或傅里叶域锁模激光光源可以与椭圆偏振仪一起使用。
21.图12示出了可以用作椭圆偏振仪中的偏振分离器的元光栅的示例。
22.图13示出了可以存在于元光栅上的单个相移元件。
23.图14示出了可以在元光栅中使用的在一维光栅单位单元中以次波长间隔布置的多个相移元件。
24.图15a、图15b和图15c示出了庞加莱球内的顶点。
25.图16是示出可以与椭圆偏振仪一起使用的检测器的另一实施方式的图。
26.图17a示出了可以与椭圆偏振仪一起使用的微偏振器阵列和二维传感器的实施方式。
27.图17b示出了微偏振器阵列中的四个微偏振器像素的单位单元。
28.图18a是示出可以与椭圆偏振仪一起使用的检测器的另一实施方式的图。
29.图18b是示出可以与椭圆偏振仪一起使用的检测器的另一实施方式的图。
30.图19示出可以由可以与椭圆偏振仪一起使用的宽带光源产生的连续的波长光谱。
31.图20是示出可以与椭圆偏振仪一起使用的检测器的另一实施方式的图。
32.图21是示出可以与椭圆偏振仪一起使用的检测器的另一实施方式的图。
33.图22是示出如本文所公开的用椭圆偏振仪表征样本的方法的流程图。
具体实施方式
34.光谱椭圆偏振仪能够跨多个波长测量样本的全穆勒矩阵，而不使用移动部件，使用单个光束路径或有限数量的光束路径。能够测量全穆勒矩阵的椭圆偏振仪有时被称为“一般化的”椭圆偏振仪，而“标准”椭圆偏振仪可以仅测量16个穆勒元素中的6个穆勒元素。相对于传统的椭圆偏振仪，移动部件的消除提高了测量速度，并且相对于例如四-检测器旋光仪或类似的装置，使用单个光束路径(或有限数量的光束路径)提高了准确度和易用性。
35.椭圆偏振仪使用宽带光源和菲涅耳锥体来产生同时宽带偏振状态发生器，而没有移动部件。菲涅耳锥体可以使用高折射率光学涂层，以保持感应相位在感兴趣的宽波长范围内恒定。通过菲涅耳锥体，每个波长包含光束的光瞳平面内的庞加莱球的大立体角度。菲涅耳锥体利用全内反射为多个波长的光产生不同的偏振结构，并且用作完全同时的宽带偏振状态发生器。
36.椭圆偏振仪的检测器包括一个或多个衍射元件，该一个或多个衍射元件分离从样本反射的光的波长。例如，如果光源产生非连续光谱，例如频率梳，则衍射元件可以在空间上分离波长带，使得在由二维传感器成像时不存在重叠。如果光源产生连续光谱，则可以与衍射元件一起使用一个或多个波长滤波器，以在空间上分离波长带，使得在由二维传感器成像时不存在重叠。
37.另外，检测器在没有移动部件的情况下分离并且同时分析从样本反射的光的多个偏振状态。例如，可以使用呈元光栅形式的偏振分离器。元光栅基于偏振状态将从样本反射的光衍射成单独的级。另选地，可以使用分束器和菲涅耳锥体来产生多个不同的偏振状态。例如呈固定偏振器或微偏振器阵列的形式的分析器用于同时分析具有分离的偏振状态的光，该分析器不重叠在二维传感器上。具有分离的波长和偏振状态的所得图像可用于确定样本的至少部分穆勒矩阵。
38.图1示出了被配置为不使用移动部件跨多个波长测量样本的至少部分穆勒矩阵的椭圆偏振仪100。如图所示，椭圆偏振仪100包括光源102、偏振状态发生器(psg)110、偏振状
态分析器(psa)145和二维传感器146。光源102是发射例如在一个或多个波段中的多个波长的宽带光源。在一些实施方式中，光源102可以产生多个非连续的波长带。在一些实施方式中，光源102可以同时产生多个波长带，而在其他实施方式中，光源102可以例如在短时间段内分别产生多个波长带中的每一个波长带。例如，光源102可以是宽带频率梳状光源或傅立叶域锁模激光光源。在一些实施方式中，光源102可以例如在单个宽带的波长中产生多个连续的波长。例如，光源102可以是热(卤素)灯泡或高压电弧放电等离子体灯。一个或多个光学部件104可用于准直由光源102产生的光103。
39.偏振状态发生器110包括偏振器112，例如，线偏振器、分束器114和菲涅耳锥体116。偏振器112接收准直光并且产生线性偏振光113。分束器114接收偏振光113并且将其引导向菲涅耳锥体116。菲涅耳锥体116为光学棱镜，该光学棱镜使用两个全内反射(tir)在偏振的两个竖直分量之间引入期望的相位差。菲涅耳锥体116利用全内反射(tir)在光113的每个波长处产生多个偏振状态。
40.图2a示出了例如从图1中的偏振器112接收线性偏振的输入光202的菲涅耳锥体116的侧面透视图。从菲涅耳锥体116得到的输出光204的偏振取决于输入光202的初始偏振，在光的波长下锥体材料的折射率，以及入射到菲涅耳锥体116的背面210时的入射角θ。图2b示出了菲涅尔锥体116的侧视图，示出了具有第一折射率n1的锥体材料和在菲涅尔锥体的背面210上的具有第二折射率n2的涂层材料212。
41.并非每个波长都会经历通过菲涅耳锥体的相同的相移。例如，图3示出了对于给定波长，来自由未修改的zro2菲涅耳锥体116输出的模拟光束的每个像素的组合斯托克斯矢量的相反条件数。组合斯托克斯矢量的相反条件数用作任何所得椭圆偏振数据的质量的预测器。在一些波长处，输出光束仅由一个偏振组成，例如，在～705nm处，并且相反条件数于是接近0，如图所示。在其他波长处，光束具有不同的偏振结构，例如，在～530nm，这将导致高质量的椭圆偏振测量。作为示例，图4a、图4b、图4c和图4d分别示出了波长530.8nm处的每个斯托克斯分量s0、s1、s2和s3的菲涅耳锥体的模拟光瞳图，而图5a、图5b、图5c和图5d类似地分别示出了波长705.7nm处的每个斯托克斯分量s0、s1、s2和s3的菲涅耳锥体的模拟光瞳图。如图4b至图4d所示，波长530.8nm处的光瞳图示出了相比于图5b至图5d中所示的波长705.7nm处的对应的光瞳图所示出的更多样的偏振结构，例如，图5d示出在705.7nm处不存在s3的偏振信息，而在图4d中在530.8nm处为s3提供正偏振信息和负偏振信息两者。
42.当菲涅耳锥体116的折射率与外部的比率改变时，由tir引起的相移也改变。某些相移导致不同的偏振结构并且将提供良好的椭圆偏振测量，而其他相移仅产生一种偏振状态并且是无用的。例如，图6是示出偏振光束在y轴上的相反条件的图，以及由菲涅耳锥体116中的45
°
tir产生的各种相移。
43.如图2b所示，菲涅耳锥体116的外侧上的涂层材料212能够控制每个期望波长的相移，以产生不同的偏振结构。换句话讲，可以选择涂层材料212以跨期望的波长产生恒定相移。下面的表达式控制对涂层材料212的要求。
44.45.在等式1中，ds表示在p-和s-偏振光之间引入的相移，这被称为与p相比的s-偏移，并且因此使用下标“s”。图6示出了各种相移导致可接受的偏振分集，并且因此，可以根据系统其他部分的便利性来选择ds。图7是示出zro2菲涅尔锥体116上的涂层材料212的折射率相对于波长的图，以针对波长产生43.42
°
的常数ds的相移。
46.参考图1，菲涅尔锥体116经由分束器114从偏振器112接收偏振光113，该分束器为非偏振分束器。图1示出了向菲涅耳锥体116透射光的分束器114，但是如果需要，分束器114可以向菲涅耳锥体116反射光。如上所述，菲涅耳锥体116使用tir为多个波长的光创建不同的偏振结构。通过适当地选择和设计涂层材料212，如图2b所示，菲涅耳锥体116可以跨期望的波长产生恒定相移，从而从菲涅耳锥体116产生对于期望的波长具有不同偏振结构的光。分束器114接收来自菲涅耳锥体116的光并且将光117引导向样本130。
47.任选地，如图所示，分束器114可以将从偏振器112接收的偏振光113的一部分引导至强度监测器118，该强度监测器可用于监测输入光的波动以用于测量的归一化。
48.图1示出来自菲涅耳锥体116(经由分束器114)的光117被折叠式反射镜120引导向样本130，但是可以使用光学元件的其他布置。聚焦光学器件122将光117聚焦到保持在工作台134上的样本130上的结构132上。图1示出了具有单个折射透镜的聚焦光学器件122，但是可以使用折射或反射或它们的组合的多个光学元件/透镜。工作台134能够运动以在样本130和椭圆偏振仪100的光学系统之间产生相对运动，使得样本130可以放置在多个位置，用于测量样本130上的不同位置。例如，工作台134可以例如在笛卡尔坐标平面(x，y)方向内线性地移动样本130，或者可以例如在极坐标平面(r，θ)内旋转并且线性地移动样本130。如果需要，工作台134、椭圆偏振仪100的一个或多个光学元件或这两者都可以移动，例如，工作台134可以旋转，同时椭圆偏振仪100的更多光学元件线性地移动。工作台134或椭圆偏振仪100的光学元件还能够进行竖直运动，例如用于聚焦。
49.样本130上的结构132将改变光117的偏振状态，并且来自样本130的反射光133被聚焦光学器件136接收，该聚焦光学器件可以与聚焦光学器件122匹配。例如，聚焦光学器件136可包括折射或反射或进行它们的组合的多个光学元件/透镜。光133被引导至包括例如具有折叠式反射镜138的偏振状态分析器(psa)145的检测器140，但是也可以使用光学元件的其他布置。
50.检测器140包括波长分离器142、偏振分离器144、psa 145和二维传感器146。波长分离器142可以在空间上分离反射光133中的波长，例如，其中光源102同时产生多个波长。例如，波长分离器142可以是在空间上分离反射光133中的多个波长的衍射元件，并且因此，波长分离器142在本文中有时可称为波长衍射元件142。在波长分离器142在空间上分离反射光133中的波长的实施方式中，二维传感器146可用于沿分离的轴线同时捕获波长和偏振信息。在另一示例中，波长分离器142可以在时间上分离反射光133中的多个波长，例如，其中光源102同时或顺序地产生多个波长。例如，波长分离器142可以是声光可调谐滤波器，该声光可调谐滤波器将反射光133中的波长(在这种情况下使用衍射)分离成窄波长带，并且在每个带之间快速切换，例如最小切换时间为200ns，以随时间推移捕获每个波长带。波长分离器142可以其他方式在时间上分离波长。例如，可以使用类似于声光可调谐滤波器的其他类型的可调谐滤波器。在另一实施方式中，光源102可以顺序地产生多个波长，并且可以使用高速相机作为传感器146来收集分离的波长，该传感器收集多个帧，每个帧表示一个波
长。在该实施方式中，波长分离器142可以被认为是光源102和高速传感器146，并且因此，图1中所示的波长分离器142的例示可以被认为是功能性的，而不是物理的。在波长分离器142在时间上分离反射光133中的波长的实施方式中，二维传感器146可以捕获多个帧，其中每个帧捕获不同波长的偏振信息。
51.偏振分离器144接收反射光133并且将反射光分离成多个偏振状态。psa 145可以为例如一个或多个偏振器，该一个或多个偏振器接收具有分离的偏振状态的光并且透射具有已知取向的光。二维传感器146(可以为例如ccd或cmos传感器阵列)接收光，并且对在反射光133的多个偏振状态中的每一个偏振状态下的分离波长进行成像。分离的波长(空间上分离的或时间上分离的)和空间上分离的偏振状态由二维传感器146清楚地成像，例如不重叠。
52.作为示例，图8示出了在由波长衍射元件142和偏振分离器144和分析器145执行光束分离之后的反射光的模拟图像800(假设理想光学器件和未涂覆的菲涅耳锥体)，其中波长沿x轴变化并且偏振状态沿y轴变化，标记为庞加莱球内的四面体顶点，以及标记为n的镜面透射。模拟图像适用于ni上的100nm单轴tio2膜，该膜已经以与实验室参考系成奇角生长，以产生非对角线mm数据。如图所示，图像800包括多个衍射的“偏振阶图”，其中的一者用框802标识。例如，图像800示出了在单独的偏振阶图中30个单独波长的四个偏振状态。例如，框804标识具有良好偏振结构的波长，例如约531nm，该良好偏振结构将产生准确的穆勒矩阵测量。相反，框806标识具有相对较差的偏振结构的波长，例如约706nm。将1％最大强度的假设白噪声添加到模拟中以产生图像800，以便测试测量稳健性。即使将相对少量的像素(25
×
25)专用于每个偏振阶图，即使在由于冗余而造成的1％的噪声下也能够具有极高的准确度。
53.检测器140耦接到计算机系统170，诸如工作站、个人计算机、中央处理单元或其他适当的计算机系统或多个系统。计算机系统170优选地包括在椭圆偏振仪100中，或者连接到该椭圆偏振仪或以其他方式与该椭圆偏振仪相关联。计算机系统170可以控制工作台134的移动，并且收集和分析从检测器140获得的椭圆偏振仪数据，如所讨论的。例如，在二维传感器146上的不同校准位置处接收的反射光133的强度同时提供光谱和偏振相关数据，可以根据该光谱和偏振相关数据来确定感兴趣的波长的椭圆偏振参数ψ和δ，并且可以根据该光谱和偏振相关数据来确定样本130上的结构132在感兴趣的波长处的至少部分穆勒矩阵，可以根据该至少部分穆勒矩阵来确定样本130的各种参数。作为示例，图9示出了模拟用于椭圆偏振仪100的旋转单轴tio2膜的穆勒矩阵元素，其中圆圈表示模拟数据并且线表示理论数据。
54.计算机系统170可以分析椭圆偏振数据以确定样本130的一个或多个物理特性。计算机系统170包括具有存储器174的至少一个处理器172，以及包括例如显示器176和输入设备178的用户界面。具有具体体现的计算机可读程序代码的非暂态计算机可用存储介质182可以由至少一个处理器172用来作为被编程为执行本文所公开的技术的专用计算机来操作。根据本公开，本领域的普通技术人员可实现本具体实施方式中描述的用于自动实现一个或多个动作的数据结构和软件代码，并且将该数据结构和软件代码存储在例如计算机可用存储介质182上，该计算机可用存储介质可以是可存储代码和/或数据以供计算机系统诸如至少一个处理器172使用的任何装置或介质。计算机可用存储介质182可以是(但不限于)
磁存储设备和光学存储设备，诸如磁盘驱动器、磁带、光盘和dvd(数字通用光盘或数字视频光盘)。通信端口184还可用于接收指令，这些指令用于对至少一个处理器172进行编程以执行本文所述的功能中的任何一者或多者，并且可以表示任何类型的通信连接，例如到互联网或任何其他计算机网络的通信连接。通信端口184可在前馈或反馈过程中将信号(例如，具有测量结果和/或指令)进一步导出到另一个系统(诸如外部处理工具)以便基于测量结果调整与样本的制造过程步骤相关联的过程参数。另外，本文所述的功能可全部或部分地体现在专用集成电路(asic)或可编程逻辑器件(pld)的电路中，并且这些功能可体现在可用于创建如本文所述那样操作的asic或pld的计算机可理解的描述符语言中。
55.因此，样本130的确定的一个或多个物理特性可以由计算机系统170确定，并且可以例如在存储器或数据库中传送和存储。样本特性可以被传送以调整与制造序列中的特定制造过程步骤相关联的一个或多个过程工具(例如，负责或有助于样本特性的过程工具)或调整样本本身的制造序列。
56.通过校准psg 110和psa 145之间的每个元件，确定二维传感器146内每个像素的psg的确切初始状态，可以操作椭圆偏振仪。单个斯托克斯矢量为4
×
1矩阵，这可以完全描述偏振状态。由psg所生成的所有偏振状态组成的矩阵将是4-x-n矩阵，其中n是像素的总数(在该示例中，n＝25*25＝625)。然后psd将在n-x-4矩阵中产生测量值的对应的矩阵。然后在校准时间反转该psg矩阵。当从样本收集数据时，执行矩阵乘法以产生4
×
4穆勒矩阵，从该矩阵中消除来自系统光学器件的任何影响。
57.图10a是示出可以用作图1所示的检测器140的检测器1040的实施方式的图。例如，检测器1040可以与产生多个非连续波长的光源102(如图1所示)一起使用。如图所示，反射光133被波长衍射元件1042(例如，示出为棱镜1042)接收。如果需要，可以使用其他类型的波长衍射元件，诸如衍射光栅。如图所示，棱镜1042将光的波长分离成分离的非连续光束1043。在一个实施方式中，将光分离成具有不同波长的光束是由于使用产生非连续波长的光源102(图1所示)，诸如宽带频率梳状光源。作为示例，图11示出了例如由宽带频率梳状光源产生的光源光谱1100，该光源光谱具有可以与图10a所示的检测器1040的实施方式一起使用的多个非连续波长带。
58.光学元件，例如透镜1002和折叠式反射镜1004，将分离的光束引导至偏振分离器1044。虽然示出了单个透镜1002，但是可以使用多个光学元件。此外，透镜元件可以是折射的、反射的或它们的组合。
59.偏振分离器1044包括在透明基板1048的一个侧面上的元光栅1046和在基板1048的相对侧面上的偏振器1045。元光栅将光束1043衍射成基于偏振的阶，类似于分离波长的闪耀光栅。例如，元光栅1046可以为透明基板1048上的次波长三维结构，该透明基板可以为例如玻璃。
60.图12示出了元光栅1046接收例如从波长衍射元件(图11中的棱镜1042)接收的具有不同波长的反射光的两个光束1202和1204的示例。光束1202和光束1204各自被元光栅1046衍射成元光栅1046的衍射阶上的指定偏振状态。元光栅1046可包括多个区域λ1、λ2…
λn，每个区域被配置为对于输入光的不同波长λ1、λ2…
λn产生相同的指定偏振状态。元光栅1046可包括玻璃基板上的次波长三维电介质结构。
61.例如，图13示出了可存在于元光栅1046上的单个相移元件1302。例如在wo2019/
147828中描述了制造计量光栅的某些方法，这些方法以引用方式并入本文并且描述如下。相移元件由在特定波长下折射率值显著大于周围介质诸如空气的折射率值，同时不吸收该长度的光的材料制成。因此，材料的选择可取决于相移元件将被使用的期望的波长值或范围。在一些实施方案中，相移元件可包括以下各项中的一者或多者：二氧化钛、氮化硅、氧化物、氮化物、硫化物、纯元素、金属或非金属氧化物，诸如氧化铝(例如，ai2o3)、二氧化硅(例如，s1o2)、氧化铪(例如，hfch)、氧化锌(例如，zno)、氧化镁(例如，mgo)、二氧化钛(例如，t1o2)、金属或非金属氮化物，诸如氮化硅(例如，s13n4)、硼(例如，bn)或钨(例如，wn)、金属或非金属硫化物、纯元素(例如，si或ge，这些可用于更长的波长，此类近ir或中ir波长)。
62.相移元件1302可被配置为使得当用入射的偏振光照射时，预先选择的数量的衍射阶中的每一个衍射阶的光强度彼此近似相等，而任何其他可能的衍射阶的光强度则小得多，优选地比预先选择的衍射阶的光强度小至少一个或至少几个数量级，并且更优选地低于检测元件的检测极限。
63.相移元件1302被示出为具有两个竖直镜像对称轴的矩形柱状结构，具有正交尺寸w
x
和wy，该相移元件可被配置为允许对于特定波长的光在x和y偏振光上的0和2π之间的独立相位延迟φ
x
和φy。例如，相移元件1302可以是玻璃(例如，透明基板1048)上的tio2。如果需要，除了矩形之外的形状可以用于元光栅1046上的一个或多个相移元件1302。图14示出了在一维光栅单位单元1400中以次波长间隔排列的q个相移元件。x偏振光在单位单元中的第q位置所经历的相移可以表示为φ
x(q)
。作为空间坐标的函数，x偏振光所经历的作为的离散相位函数可以写为可以类似地处理y偏振光，从而产生矢量单位单元1400可以在元光栅1046上重复，或者在元光栅1046的每个特定波长区域内重复，以产生用于正交x和y偏振的特定周期性相位分布。
64.由于单位单元1400是周期性的，光栅的角谱是离散的。通过包含在和中的相位分布和可以计算相位光栅的傅立叶级数，并且到光栅阶m上的投射由下式给出：
[0065][0066]
和
[0067][0068]
值d是单位单元1400的长度，并且和分别是x和y偏振所经历的光栅的傅立叶系数。
[0069]
每个系数通常都是复数，并且可以写为和琼斯矩阵j(m)可以归于每个阶：
[0070][0071]
j(m)中包含的m阶偏振特性可以看作等效于两个体光学元件的级联：乘积中的第一琼斯矩阵是衰减器的矩阵，例如，有缺陷的偏振元件选择性地衰减沿x和y方向的光，而第二琼斯矩阵是相位延迟片的矩阵，例如具有延迟量的波片。两者都具有沿x和y相互定向的特征轴。
[0072]
如果以例如45
°
线性偏振的具有电场幅值e0的光束入射到光栅上，则第m光栅阶上的电场将为：
[0073][0074]
在45
°
偏振光的特殊情况下，则复光栅系数和直接产生m阶偏振状态。对于一般的输入偏振，每个阶的输出偏振状态可以借助于庞加莱球来理解。
[0075]
元光栅的每个波长区域可包括针对其特定波长定制的不同的单位单元。相位轮廓矢量和可以被优化以在每个阶产生期望的偏振。例如，每个相移元件1302的形状和单位单元1400中元件的元件间间隔可以针对每个期望的波长进行优化，以产生光栅阶的一致的角间隔。更正式地讲，可能需要设计一种光栅，当存在以45
°
线偏振的入射光时，在一组光栅阶{￡}上产生期望的偏振状态。每个阶m∈{l}上的目标琼斯矢量给出为：
[0076][0077]
光通常会被衍射到所有阶，而不仅仅是{￡}中的那些阶。为了将尽可能多的入射功率引导到这些期望的阶中，寻求最大化
[0078][0079]
在约束下
[0080][0081]
和
[0082][0083]
约束提供了每个阶的期望的偏振，相位轮廓矢量和是待优化的量。如果光栅具有q个组成元件，则优化将涉及2q个参数。q和元件间间隔规定了光栅周期d，光栅周期与工作波长λ一起指定了光栅阶的角间隔。一旦获得优化的和就可以使用等式6、等式7和等式8以数学方式评估期望阶的功率以及与目标偏振的对应关系。
[0084]
可以在上述约束下对执行梯度下降优化，并且随机生成初始条件。一旦找到优化的就可以推断出感兴趣材料中的适当的相移几何形状。一旦指定了工作波长和期望的材料平台，就可以从模拟结构库中找到适当的移相器的几何形状。例如，可以使用搜索方法来最大化传递给-2阶、-1阶、1阶和2阶的功率量，例如，使用种子值，改变柱的尺寸，并且模拟结果直到找到“最佳”集合。因此，元光栅1046可被配置用于每个期望的波长以在庞加莱球1500内产生最佳测量四面体的顶点，如图15所示，这确保了高质量的椭圆偏振测量。
[0085]
重新参考图10a，以波长和偏振状态分类的光束由二维传感器146接收，其中波长沿一个轴线变化，并且偏振状态沿另一个轴线变化。
[0086]
图16是示出可以用作图1所示的检测器140的检测器1640的另一实施方式的图。例如，检测器1640可以与产生多个不连续波长的光源102(图1中示出)一起使用，诸如宽带频率梳状光源或傅立叶域锁模激光光源，如上所述。如图所示，反射光133被波长衍射元件(例如，示出为棱镜1042)接收。如果需要，可以使用其他类型的波长衍射元件，诸如衍射光栅。
[0087]
光学元件，例如透镜1002和折叠式反射镜1004，将分离的光束引导至偏振分离器1644。虽然示出了单个透镜1002，但是可以使用多个光学元件。此外，透镜元件可以是折射的、反射的或它们的组合。
[0088]
偏振分离器1644包括在透明基板1048的一个侧面上的元光栅1046。如上所述，元光栅基于偏振将光束1043衍射到多个阶，类似于分离波长的闪耀光栅。例如，元光栅1046可以为透明基板1048上的次波长三维结构，该透明基板可以为例如玻璃。如图所示，在基板1048上可以没有偏振器。
[0089]
检测器1640包括与二维传感器146对准的微偏振器阵列1645，该二维传感器为诸如由onto innovation公司的4d technologies生产的4d polarcam。微偏振器阵列1645包括偏振器阵列以同时获取多个(例如，四个)偏振角度。偏振器阵列中的每一个偏振器与二维传感器146中的检测器像素对准。微偏振器阵列1645和元光栅1046充当偏振状态分析器。
[0090]
图17a示出了微偏振器阵列1645的一个实施方式，该微偏振器阵列包括多个微偏振器像素1702，每个微偏振器像素与二维传感器146中的检测器像素1704对准。例如，图17b示出了四个微偏振器像素1702a、1702b、1702c和1702d(统称为微偏振器像素1702)的单位单元1710，每个微偏振器像素具有不同的偏振取向。微偏振器像素1702中的每一个微偏振器像素为例如线性栅偏振器，保持在单位单元1710中具有四个离散偏振(例如，0
°
、45
°
、90
°
、135
°
)的2
×
2阵列中。在整个微偏振器阵列1645上重复单位单元1710，使得微偏振器阵列1645包括具有离散偏振的微偏振器像素1702的重复阵列。微偏振器像素1702具有与二维传感器146的检测器像素1704的尺寸和间隔匹配的尺寸和间隔，使得二维传感器146中的每个检测器像素1704与微偏振器像素1702匹配，即对准。
[0091]
通过图17a和图17b中所示的单位单元1710内的偏振布置和微偏振器阵列1645中的单位单元1710的布置，应当理解，二维传感器146将接收空间上分离的波长的图像，这些空间上分离的波长可以沿一个轴线变化，但是偏振状态的变化将不会沿另一个轴线被识别(如图8所示)，而是将在像素水平上被识别，例如，基于与微偏振器像素1702对准的像素。然而，应当理解，图17a和图17b示出了单位单元1710内的偏振布置和单位单元1710在微偏振
器阵列1645中的布置的一个实施方式，并且其他布置也是可能的，包括组合具有类似的偏振取向的像素组和像素组的其他布置。
[0092]
在当前的实施方式中，微偏振器阵列1645代替图10a所示的偏振器1045。通过来自微偏振器阵列1645的不同偏振取向的阵列以及来自元光栅1046的分离成多个不同的偏振状态的光，可以例如通过归一化测量来提高系统的测量准确度。例如，利用来自元光栅1046的四个单独的偏振状态和微偏振器阵列1645中每个单位单元1710的四个单独的偏振器，生成十六个测量结果(4
×
4＝16)。在一个实施方式中，代替使用如上所述的庞加莱球的最佳测量四面体，可以使用庞加莱球的所有六个正交状态进行测量，以便准确地表征偏振状态，如图15b中的庞加莱球1510所示。psa将光束的偏振投射到庞加莱球1510的四个最佳测量顶点上。由于与元光栅1046耦接的单个偏振器将产生四个顶点，因此微偏振器阵列1645中的偏振器取向中的一者将可以产生四个最佳测量顶点。微偏振器阵列1645的其他偏振器取向可用于提供正交点，这将提高偏振测量的准确度。
[0093]
图18是示出可以用作图1所示的检测器140的检测器1840的另一实施方式的图。例如，检测器1840可以与产生连续的波长光谱的光源102(如图1所示)一起使用。如图所示，反射光133被波长衍射元件(例如，示出为棱镜1042)接收。如果需要，可以使用其他类型的波长衍射元件，诸如衍射光栅。棱镜1042将光的波长分离成单独的波长，但如图所示，所得的光1843是连续的波长光谱，即，多个连续的波长。棱镜1042产生连续的波长，例如，因为宽带光源102(如图1所示)产生连续的光谱。例如，图19示出了由光源102产生的用于检测器1840的当前实施方式的光谱1900的示例。
[0094]
光学元件，例如透镜1002和折叠式反射镜1004，将分离的光束引导至偏振分离器1644。虽然示出了单个透镜1002，但是可以使用多个光学元件。此外，透镜元件可以是折射的、反射的或它们的组合。
[0095]
偏振分离器1044包括在透明基板1048的一个侧面上的元光栅1046和在基板1048的另一个侧面上的偏振器1045。如上所述，元光栅基于偏振将光束1043衍射到多个阶，类似于分离波长的闪耀光栅。例如，元光栅1046可以为透明基板1048上的次波长三维结构，该透明基板可以为例如玻璃。
[0096]
检测器1840包括在二维传感器146和偏振分离器1044之间的波长滤波器1802。波长滤波器1802可以为一个或多个带通滤波器或标准具滤波器。例如，波长滤波器1802可包括设计成匹配光束的通带和几何宽度。波长滤波器1802可以在二维传感器146的表面上或者在偏振器1045上或者在两者之间。波长滤波器1802接收来自偏振分离器1044的光，并且透射不同的波长带，以产生由二维传感器146成像的多个不重叠、不连续的波长带。
[0097]
图18b是示出与图10a所示的检测器1040类似的检测器1840'的另一实施方式的图，类似的指定元件是相同的，并且可用作图1所示的检测器140。例如，检测器1840'可以与同时或顺序地产生多个波长的光源102(如图1所示)一起使用。如图所示，反射光133中的波长在时间上被波长分离器1042'分离，该波长分离器在一个实施方式中可以为声光可调谐滤波器，该声光可调谐滤波器将反射光133中的波长(在该实例中使用衍射)分离成窄波长带，并且在每个带(例如，200ns)之间快速切换，以随时间推移捕获波长带。波长分离器1042'，诸如声光可调谐滤波器可以与同时产生多个波长的光源一起使用。在另一实施方式中，反射光133中的波长可以由光源102(如图1所示)在时间上分离，该光源例如为顺序地产
生多个波长的傅立叶域锁模激光光源。在该实施方式中，波长分离器1042'是光源102，并且物理波长分离器1042'不需要存在于检测器1840'中，如虚线所示。二维传感器146不需要包括波长滤波器1802，而是与波长分离器1042'(例如声光可调谐滤波器或光源102)同步地以高速收集多个帧，以捕获每个帧中不同波长的分离的偏振状态。如图所示，光学元件，例如透镜1002和透镜1003以及折叠式反射镜1004，将具有时间上分离的波长的光束引导至偏振分离器1044。
[0098]
在一些实施方式中，检测器可包括微偏振器阵列1645，例如如图16所述，但是可以与产生连续的波长光谱的光源102(图1所示)连续使用，例如使用波长滤波器1802，如图18a所述。此外，在一些实施方式中，检测器可包括微偏振器阵列1645，例如，如图16中所述，但是可以使用时间上分离的波长，例如，使用如图18b中所讨论的波长分离器1042'。
[0099]
图20是示出检测器2040的另一实施方式的图，该检测器可用作图1所示的检测器140。例如，检测器2040可以与产生多个不连续波长的光源102(如图1所示)一起使用，诸如宽带频率梳状光源，如上所述。如图所示，反射光由分束器2002接收，该分束器将反射光133的一部分引导(例如反射)到朝向第一衍射元件(示出为棱镜2004)的第一通道中。来自分束器2002的反射光133的剩余部分经由示出为菲涅耳棱镜2006的相移光学元件被引导(例如，透射)向具有示出为棱镜2008的第二衍射元件的第二通道。包括光学涂层2007的菲涅耳棱镜2006在反射光133的线性偏振状态之间引入90
°
的相移。菲涅耳棱镜2006和光学涂层2007例如可以类似于菲涅耳锥体116和光学涂层212。如果需要，可以使用其他相移光学元件代替菲涅耳棱镜。因此，第一通道中的光和第二通道中的光具有不同的偏振状态。如图所示，棱镜2004和棱镜2008各自将光的波长分离成单独的非连续光束2005和2009，这些非连续光束被引导至与二维传感器146对准的微偏振器阵列1645，如图16所详述。如图所示，在检测器2040中，从系统中移除图10a中的元光栅1046，因为它在功能上被分束器2002和菲涅耳棱镜2006代替，该菲涅耳棱镜将具有不同的偏振状态的光引向微偏振器阵列1645，并且组合起来用作偏振状态分析器。
[0100]
光学元件，例如第一通道中的透镜2010和折叠式反射镜2012，以及第二通道中的透镜2014和折叠式反射镜2016，将分离的光束引导向二维传感器。虽然在每个通道中示出了单个透镜2010和2014，但是可以使用多个光学元件。此外，透镜元件可以是折射的、反射的或它们的组合。
[0101]
如图所示，例如通过在微偏振器阵列1645和二维传感器146的不同区域中对来自第一通道和第二通道的光进行成像，可以使用单个微偏振器阵列1645和二维传感器146。如果需要，可以使用两个微偏振器阵列1645/二维传感器146，每个通道使用一个。
[0102]
如上所述，通过图17a和图17b中所示的单位单元1710内的偏振布置和微偏振器阵列1645中的单位单元1710的布置，应当理解，检测器2040中的二维传感器146将接收空间上分离的波长的图像，这些空间上分离的波长可以沿一个轴线变化，但是偏振状态的变化将不会沿另一个轴线被识别(如图8所示)，而是将在像素水平上被识别，例如，基于与微偏振器像素1702对准的像素。然而，应当理解，图17a和图17b示出了单位单元1710内的偏振布置和单位单元1710在微偏振器阵列1645中的布置的一个实施方式，并且其他布置也是可能的，包括组合具有类似的偏振取向的像素组和像素组的其他布置。
[0103]
在当前的实施方式中，从系统中移除元光栅，并且元光栅在功能上被相移光学元
件(菲涅耳棱镜2006)和分束器2002替代，该相移光学元件和分束器将两种不同的偏振状态引导向微偏振器阵列1645。通过使用来自微偏振器阵列1645的不同偏振取向的阵列以及由分离的通道提供的不同的偏振状态，可以例如通过归一化测量来提高系统的测量准确度。例如，通过来自菲涅尔反射器2006和分束器2002的两个分离的偏振状态以及微偏振器阵列1645中每单位单元1710四个单独的偏振器，在6个正交偏振状态上生成8个测量结果(2
×
4＝8)，其中2个是重复的。通过重复测量，一个通道相对于另一个通道被归一化以确保准确的测量，如图15c中的庞加莱球1520所示。该过程实现了与上述图15a所示的最佳测量四面体1500相同的测量准确度。在一个实施方式中，微偏振器阵列1645中的微偏振器像素1702的取向相对于菲涅耳反射器2006来配置，使得所测量的偏振状态使用来自棱镜2004的反射光中的分离波长和来自棱镜2008的反射光中的分离波长来跟踪出围绕庞加莱球的两个正交环。例如，两个正交环的交点可以由接收两个通道的一个二维传感器使用，或者如果使用多于一个二维传感器，则将第一二维传感器参考到第二二维传感器。
[0104]
图21是示出可以用作图1所示的检测器140的检测器2140的另一实施方式的图。例如，检测器2140可以与产生连续的波长光谱的光源102(如图1所示)一起使用，如上所述。检测器2140类似于图20所示的检测器2040，类似的指定元件是相同的。如图所示，在检测器2140中，棱镜2004和棱镜2008分离光的波长，但因为光源102产生连续光谱，所以所得的光2105和光2109分别包括波长的连续光谱，即，多个连续的波长。为了产生由微偏振器阵列1645和二维传感器146成像的多个非重叠、不连续的波长带，在检测器2140中使用波长滤波器2102。波长滤波器2102例如放置在微偏振器阵列1645和棱镜2004、2008之间，并且可以例如位于微偏振器阵列1645上。如果需要，可以使用多个波长滤波器，并且在一些实施方式中，分离但匹配的波长滤波器可位于第一通道内，例如在折叠式反射镜2012上，并且位于第二通道内，例如在折叠式反射镜2016上。波长滤波器2102被配置为仅允许期望的波长到达微偏振器阵列1645和二维传感器146，使得期望的波长带不重叠。
[0105]
此外，在一些实施方式中，检测器可包括分束器2002和相移光学元件(菲涅耳棱镜2006)，例如，如图20和图21中所讨论的，但是也可以使用时间上分离的波长，例如，使用如图18b中所讨论的波长分离器1042'。如上所述，波长分离器1042'可以为分离反射光133中的波长的声光可调谐滤波器，其中光源同时产生多个波长，并且二维传感器146收集与声光可调谐滤波器同步的多个帧。在另一实施方式中，光源可以顺序地产生多个波长，例如傅立叶域锁模激光光源，并且波长分离器1042'可以被认为是收集与光源同步的多个帧的高速二维传感器146。
[0106]
图22是流程图2200，该流程图示出了用本文所公开的椭圆偏振仪诸如椭圆偏振仪100表征样本的方法。如第一框2202所示，生成具有多个波长的光，例如，如参考光源102所讨论的。在框2204处，光被偏振，例如，如参考偏振器112所讨论的。在框2206处，使用菲涅耳锥体(例如，如参考菲涅耳锥体116所讨论的)来修改偏振光以产生在多个波长中的每一个波长处具有多个偏振状态的样本光。在框2208处，使样本光入射到样本上，其中样本光与样本相互作用并且被样本反射，从而产生反射光，例如，如参考光学元件120、122、136和138所讨论的。在框2210处，分离反射光中的波长，例如，如参考波长分离器142以及波长分离器1042、1042'、2004和2008所讨论的。在框2212处，使用偏振分离器将反射光分离成多个偏振状态，例如，如参考偏振分离器144以及偏振分离器1044、1644、2002和2006所讨论的。在框
2214处，使用二维传感器(例如，如参考二维传感器146所讨论的)在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下捕获分离波长的一个或多个图像。在框2216处，使用在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下的在空间上分离的波长的图像来确定样本的至少部分穆勒矩阵，例如，如参考具有至少一个处理器172的计算机系统170所讨论的，该至少一个处理器配置有计算机可读程序代码以作为专用计算机来操作。
[0107]
在一个实施方式中，分离反射光中的波长可包括使用衍射元件诸如衍射元件1042、2004和2008在空间上分离波长，其中捕获一个或多个图像包括捕获在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下的在空间上分离的波长的一个图像。
[0108]
在一个实施方式中，分离反射光中的波长可包括在时间上分离反射光中的波长，其中捕获一个或多个图像包括捕获多个图像，每个图像在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下具有不同的波长。例如，通过以下一者来执行反射光中的波长的时间上的分离：声光可调谐滤波器，或分别发射多个波长中的每一个波长的光源。例如，光源可以是傅立叶域锁模激光光源。
[0109]
在一个实施方式中，具有多个波长的光包括多个非连续波长带，例如如图11所示，并且分离反射光中的波长包括分离多个非连续波长带，例如如由非连续光束1043、2005和2009所示，使得多个非连续波长带在由二维传感器接收的一个或多个图像中不重叠。例如，生成具有多个波长的光可以由宽带频率梳状光源执行。
[0110]
在一个实施方式中，具有多个波长的光包括连续的波长光谱，例如，如图19所示，并且分离反射光中的波长产生波长光谱，例如，如光1843、2105和2109所示。该方法还可以包括对波长光谱进行滤波以产生多个非连续的波长带，其中多个非连续的波长带在由二维传感器接收的一个或多个图像中是不重叠的，例如，如参考滤波器1802和滤波器2102所讨论的。例如，可以在将反射光分离成多个偏振状态之后对波长的光谱进行滤波。
[0111]
在一个实施方式中，使用菲涅耳锥体来修改偏振光以产生在多个波长中的每一个波长处具有多个偏振状态的样本光包括使用具有光学涂层的菲涅耳锥体的全内反射(tir)，该光学涂层的折射率被选择为对于由二维传感器成像的光的波长产生恒定相移，例如，如参考光学材料212所讨论的。
[0112]
在一个实施方式中，偏振分离器将反射光分离成多个偏振状态，使得偏振状态在由二维传感器接收的一个或多个图像中不重叠，例如，如参考偏振分离器1044、1644、2002和2006所讨论的。
[0113]
在一个实施方式中，通过产生作为庞加莱球内的最佳测量四面体的顶点的偏振状态，使用偏振分离器将反射光分离成多个偏振状态，如参考偏振分离器1044所讨论的。
[0114]
在一个实施方式中，将反射光分离成多个偏振状态的偏振分离器是二维传感器之前的光栅，其中该光栅被配置为将不同的偏振状态衍射到不同的透射阶，例如，如参考元光栅1046所讨论的。另外，分析反射光中的不同偏振状态，例如，如参考元光栅1046、偏振器1045和微偏振器阵列1645所讨论的。光栅可包括相移元件的间隔阵列，例如，如参考元光栅1046和相移元件1302所讨论的。反射光中的不同偏振状态可通过用光栅将不同的偏振状态衍射到不同的透射阶，并且用线偏振器偏振来自光栅的不同偏振状态来分析，例如，如参考偏振器1045所讨论的。反射光中的不同偏振状态可通过用光栅将不同的偏振状态衍射到不同的透射阶并且用微偏振器阵列偏振来自光栅的不同偏振状态来分析，该微偏振器阵列包
括与二维传感器的像素对准的微偏振器像素，其中微偏振器阵列包括具有离散偏振的微偏振器像素的重复阵列，例如，如参考微偏振器阵列1645所讨论的。
[0115]
在一个实施方式中，分离反射光中的波长由第一衍射元件和第二衍射元件执行，并且通过用分束器将反射光的第一部分引导至第一衍射元件，使用偏振分离器将反射光分离成多个偏振状态；以及用相移光学元件接收来自分束器的反射光的第二部分，并且用相移光学元件将反射光的第二部分引导至第二衍射元件，其中反射光的第一部分具有与反射光的第二部分不同的偏振状态，例如，如参考分束器2002和相移光学元件(菲涅耳棱镜2006)所讨论的。通过用第一衍射元件分离反射光的第一部分中的波长并且用第二衍射元件分离反射光的第二部分中的波长来分离反射光中的波长，例如，如参考棱镜2004和棱镜2008所讨论的。用微偏振器阵列分析反射光的第一部分和反射光的第二部分中的不同的偏振状态，该微偏振器阵列包括与二维传感器的像素对准的微偏振器像素，其中微偏振器阵列包括具有离散偏振的重复的微偏振器像素阵列，例如，如参考微偏振器阵列1645所讨论的。微偏振器阵列可被配置为使用来自第一衍射元件的反射光中的分离波长和来自第二衍射元件的反射光中的分离波长产生围绕庞加莱球的两个正交环，例如，如参考微偏振器阵列1645所讨论的。围绕庞加莱球的两个正交环的交点可用于将第一二维传感器参考到第二二维传感器。
[0116]
在一个实施方式中，椭圆偏振仪可包括用于生成具有多个波长的光的构件，该构件可以为例如光源102，该光源可以发射多个非连续的波长带，诸如宽带频率梳状光源或傅立叶域锁模激光光源，或者可以发射多个连续的波长，诸如热(卤素)灯泡或高压电弧放电等离子体灯。用于使光偏振的构件可以为例如偏振器112。用于修改偏振光以产生在多个波长中的每一个波长处具有多个偏振状态的样本光的构件可以为菲涅耳锥体116。用于使样本光入射到样本上的构件可以为聚焦光学器件，诸如聚焦光学器件122和聚焦光学器件136，这些聚焦光学器件可包括折射或反射或它们的组合的多个光学元件/透镜，其中样本光与样本相互作用并且被样本反射，从而产生反射光。用于分离反射光中的波长的构件可以为例如波长分离器142、1042、1042'、2004、2008或光源102和传感器146。用于将反射光分离成多个偏振状态的构件可以是例如偏振分离器144、1044、1644、2002和2006。用于捕获在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下的分离波长的一个或多个图像的构件可以为例如二维传感器146。用于使用在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下的分离波长的一个或多个图像来确定样本的至少部分穆勒矩阵的构件可以为例如具有至少一个处理器172的计算机系统170，该至少一个处理器配置有计算机可读程序代码，以使用算法诸如本文所公开的算法作为专用计算机来操作。
[0117]
在一个实施方式中，用于分离反射光中的波长的构件可使用衍射元件诸如衍射元件1042、2004和2008，在空间上分离波长，其中用于捕获一个或多个图像的构件捕获在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下的在空间上分离的波长的一个图像。
[0118]
在一个实施方式中，用于分离反射光中的波长的构件可以例如使用声光可调谐滤波器1042’或光源102，诸如分别发射多个波长中的每一个波长的傅立叶域锁模激光光源，在时间上分离反射光中的波长，其中用于捕获一个或多个图像的构件捕获多个图像，每个图像在反射光的多个偏振状态中的每一个偏振状态下具有不同的波长。
[0119]
在一个实施方式中，光具有多个非连续的波长带，并且用于分离反射光中的波长
的构件(该构件可以为例如宽带频率梳状光源)分离多个非连续的波长带，使得多个非连续的波长带在一个或多个图像中不重叠。
[0120]
在一个实施方式中，光具有连续的波长光谱，并且用于分离反射光中的波长的构件(该构件可以为例如波长分离器1042、2004、2008)产生波长光谱，并且椭圆偏振仪还可以包括用于对波长光谱进行滤波以产生多个不连续的波长带的构件，该构件可以为例如滤波器1802或滤波器2102，其中多个不连续的波长带在一个或多个图像中不重叠。用于对波长光谱进行滤波的构件可以位于用于将反射光分离成多个偏振状态的构件之后的光束路径中。
[0121]
在一个实施方式中，用于修改偏振光以产生在多个波长中的每一个波长处具有多个偏振状态的样本光的构件包括用于全内反射(tir)的构件，该构件具有光学涂层，该光学涂层的折射率被选择为对于由二维传感器成像的光的波长产生恒定相移，该光学涂层可以为例如菲涅耳锥体116上的光学材料212。
[0122]
在一个实施方式中，用于将反射光分离成多个偏振状态的构件将反射光分离成多个偏振状态，使得偏振状态在一个或多个图像中不重叠，该装置可以是例如偏振分离器1044、1655、2002和2006。
[0123]
在一个实施方式中，用于将反射光分离成多个偏振状态的构件可以产生作为庞加莱球内的最佳测量四面体的顶点的偏振状态，该装置可以为例如偏振分离器1044。
[0124]
在一个实施方式中，用于将反射光分离成多个偏振状态的构件可以为定位在用于捕获一个或多个图像的构件之前的光束路径中的光栅，诸如元光栅1046，其中该光栅被配置为将不同的偏振状态衍射到不同的透射阶，并且椭圆偏振仪还可以包括用于分析反射光中的不同的偏振状态的构件，该构件可以为例如元光栅1046、偏振器1045和微偏振器阵列1645。光栅可包括相移元件的间隔阵列，例如，如参考元光栅1046和相移元件1302所讨论的。用于分析反射光中的不同偏振状态的构件可以为用于将不同的偏振状态衍射到不同的透射阶的构件和用于偏振不同的偏振状态的构件，该构件可以为例如元光栅1046和偏振器1045。用于分析反射光中的不同的偏振状态的构件可以为用于将不同的偏振状态衍射到不同的透射阶并且利用与用于捕获一个或多个图像的构件的像素对准的微偏振器像素来偏振不同的偏振状态的构件，其中微偏振器像素在具有离散偏振的微偏振器像素的重复阵列中，可以为例如微偏振器阵列1645。
[0125]
在一个实施方式中，用于分离反射光中的波长的构件可包括第一衍射元件和第二衍射元件，例如棱镜2004和棱镜2008，并且用于使用偏振分离器将反射光分离成多个偏振状态的构件可包括用于将反射光的第一部分引导至第一衍射元件的构件，该构件可以为分束器2002，以及用于接收反射光的第二部分并且将反射光的第二部分引导至第二衍射元件的构件，其中反射光的第一部分具有与反射光的第二部分不同的偏振状态，该构件可以为例如相移光学元件，诸如菲涅耳棱镜2006。用于分离反射光中的波长的构件可包括分离反射光的第一部分中的波长的第一衍射元件和分离反射光的第二部分中的波长的第二衍射元件。椭圆偏振仪还可以包括用于分析反射光的第一部分和反射光的第二部分中的偏振状态的构件，该构件可以是例如具有与二维传感器的像素对准的微偏振器像素的微偏振器阵列1645，其中该微偏振器阵列包括具有离散偏振的微偏振器像素的重复阵列。用于分析偏振状态的构件可被配置为使用来自第一衍射元件的反射光中的分离波长和来自第二衍射
元件的反射光中的分离波长来产生围绕庞加莱球的两个正交环。围绕庞加莱球的两个正交环的交点用于将第一二维传感器参考到第二二维传感器。
[0126]
贯穿本说明书对“一个示例”、“示例”、“某些示例”或“示例性实施方式”的参考意味着结合特征和/或示例描述的特定特征、结构或特性可以包含在所要求保护的主题的至少一个特征和/或示例中。因此，短语“在一个示例中”、“示例”、“在某些示例中”或“在某些实施方式中”或在本说明书中各个地方的其他类似短语不一定都指相同的特征、示例和/或限制。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个示例和/或特征中组合。
[0127]
本文包含的详细描述的一些部分是根据存储在特定设备或专用计算装置或平台的存储器内的二进制数字信号上的操作的算法或符号表示来呈现的。在本特定说明书的上下文中，术语特定设备等包括一旦被编程为根据来自程序软件的指令执行特定操作的通用计算机。算法描述或符号表示是信号处理或相关领域中普通技术人员用来将其工作实质内容传达给所属领域中其他技术人员的技术的示例。这里的算法通常被认为是一个自洽的操作序列或类似的信号处理序列，从而得到期望的结果。在此上下文中，操作或处理涉及物理量的物理操纵。通常，但是不是必然地，此类量可以采取能够被存储、传送、组合、比较或以其他方式操纵的电或磁信号的形式。已经证明有时(主要是出于惯用用法的原因)将此类信号指代为位、数据、数值、元素、符号、字符、项、数字、数码等是方便的。然而，应理解，所有这些或类似术语将与适当物理量相关联，且仅为方便的标记。除非另外特别说明，否则如从本文的论述中显而易见的，应理解，整个说明书论述中使用的诸如“处理”、“计算(computing/calculating)”、“确定”等术语是指特定设备(诸如专用计算机、专用计算设备或类似的专用电子计算装置)的动作或过程。因此，在本说明书的上下文中，专用计算机或类似专用电子计算装置能够操纵或变换信号，通常表示为存储器、寄存器或专用计算机或类似专用电子计算装置的其他信息存储装置、传输装置或显示装置内的物理电子量或磁量。
[0128]
在前述详细描述中，已经阐述了许多特定细节以提供对所要求保护的主题的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，所要求保护的主题可以在没有这些特定细节的情况下实施。在其他情况下，没有详细描述普通技术人员已知的方法和设备，以免模糊所要求保护的主题。
[0129]
如本文所用的术语“和”、“或”和“和/或”可以包含多种含义，这些含义至少部分地取决于使用此类术语的上下文。通常，如果用于关联列表，例如a、b或c，则“或”旨在表示a、b和c，此处在包含性意义上使用，以及a、b或c，此处在排它性意义上使用。另外，如本文所使用的术语“一个或多个”可以用于描述呈单数的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述多个特征、结构或特性或它们的其他组合。但是应当指出的是，这仅仅是说明性示例，并且要求保护的主题不限于此示例。
[0130]
虽然已经说明和描述了目前被认为是示例性特征的内容，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种其他修改，并且在不脱离要求保护的主题的情况下可以取代等效物。另外，在不脱离本文所描述的中心概念的情况下，可以进行许多修改以使特定情况适应要求保护的主题的教导内容。
[0131]
因此，希望所要求保护的主题不限于所公开的特定示例，而是这样的所要求保护的主题还可包括落在所附权利要求书及其等效物的范围内的所有方面。