CN108732106A - 反射差分光学测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种反射差分光学测量装置及其测量方法，包括入射源、入射源处理装置、分束器、反射差分组件、出射源处理装置和出射源；光束由入射源进入测量装置，并被入射源处理装置处理后形成平行光束；平行光束通过分束器后产生出射光束；出射光束通过反射差分组件垂直入射样品表面；通过样品表面的出射光束再顺次通过反射差分组件和分束器后，输入出射源处理装置；通过出射源处理装置的出射光束汇聚进入出射源；相对于样品表面的入射光束和出射光束间的夹角为0°。本公开中分束器的设置，将入射光路与出射光路整合到一套装置中，体积小重量轻，性能可靠，垂直入射的光学结构，实现不限长度的工作距离，测量精度不受工作距离影响，易于调整。

Description

反射差分光学测量装置及其测量方法

技术领域

本公开涉及表面光学表征领域及微纳米测试技术领域，尤其涉及一种无限工作距离的反射差分光学测量装置及其测量方法。

背景技术

反射差分光学测量技术对物质的表面/界面光学各项异性具有高灵敏度，且具有非接触、非侵入式、无损、测量环境要求低等特点。这项技术测量样品表面引起的入射偏振光的偏振态改变，进而对物质表面/界面的物理、化学特性进行分析。目前这项技术已广泛应用于金属、半导体、有机薄膜等的表面特性研究与工业生产领域。

传统的反射差分光学测量装置的工作距离是固定的。设计中通常使入射光路和反射光路不重合，且各器件的相对位置固定，因此光学测量装置的工作距离即为定值。但是当样品位置不能满足设计好的工作距离时，就会出现入射光不能正确照射到样品上和(或)反射光不能进入光探测器的问题。这时需要重新调整样品和光学测量装置的相对位置，甚至重新设计光学测量装置。

早期可调整入射光路和(或)反射光路相对位置的设计在一定程度上解决了上述工作距离的问题。但是其复杂的机械设计增加了成本、降低了可靠性，并且调整过程中过分依赖测试人员的技术水平。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种反射差分光学测量装置及其测量方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种反射差分光学测量装置，包括：入射源；入射源处理装置，对入射源的光进行处理以输出平行的入射光束；分束器，将入射源输出的入射光束反射进入光路，使通过分束器的出射光束继续透射到光路中；反射差分组件，对入射光束和/或出射光束进行偏振态和/或相位延迟上的调制；出射源处理装置，使出射光束汇聚进入出射源；出射源，收集出射光束并将其输出测量装置；样品表面的入射光束和出射光束间的夹角为0°。

在本公开的一些实施例中，反射差分组件包括：偏振器，用于将经由分束器入射的非偏振光调制为线性偏振光，同时用于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，用于将经由偏振器入射的线性偏振光产生相位延迟后垂直入射样品表面；样品表面的出射光束再通过调制器后输入偏振器进行偏振态检测后，输入至分束器。

在本公开的一些实施例中，还包括：第一旋转装置，与偏振器连接，第一旋转装置旋转至一方位角后静止；第二旋转装置，与调制器连接，第二旋转装置在每一次测量过程中均需要旋转n个角度，其中n＞3；第一旋转装置和第二旋转装置均通过步进马达驱动。

在本公开的一些实施例中，出射源处理装置包括：平面镜，用于反射分束器输出的出射光束；凹面镜，汇聚平面镜的出射光束使其进入出射源。

在本公开的一些实施例中，入射源处理装置为离轴抛物反射镜。

在本公开的一些实施例中，入射源为入射光纤；出射源为出射光纤。

在本公开的一些实施例中，分束器包括平板分束镜、立方分束镜和/或薄膜分束镜。

在本公开的一些实施例中，调制器为消色差的四分之一波片；偏振器包括薄膜偏振片、线栅偏振片和/或双折射晶体。

在本公开的一些实施例中，光谱测量范围为250～1000nm，测试样品直径为1～8mm。

根据本公开的另一个方面，提供了一种反射差分光学测量方法，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；步骤B：调制器在第二旋转装置带动下，在每一次测量过程中均旋转n个角度位置θ_i(i＝1，2，3，…n)，其中n＞3；步骤C：光探测器与出射光纤的输出端连接，光探测器对应于调制器的n个角度位置采集n次光强数据I_i(i＝1，2，3，…n)；步骤D：根据光探测器采集到的光强数据，求解如下方程组：

将求解得到的q、c、s带入如下公式即可得到反射差分信号：

其中i为虚数单位。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开反射差分光学测量装置及其测量方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)分束器的设置，将入射光路与出射光路集合在一套装置中，光学结构简单，体积小、重量轻，性能可靠。

(2)将入射光束和出射光束间的夹角设置为0°，可实现在不进行任何器件的位置的调整的情况下，灵活应用于对工作距离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。

(3)垂直入射样品的光学结构，减小了由于光学测量装置和样品相对距离的改变带来的测量误差。

(4)各光学器件互换性好，可以根据不同的应用更换与之对应的优选器件。

附图说明

图1为本公开实施例反射差分光学测量装置的示意图。

图2为本公开实施例反射差分光学测量方法的流程框图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-入射光纤； 2-离轴抛物反射镜；

3-分束器； 4-偏振器；

5-第一旋转装置； 6-调制器；

7-第二旋转装置； 8-样品；

9-平面镜； 10-凹面镜；

11-出射光纤。

具体实施方式

本公开提供了一种反射差分光学测量装置及其测量方法，包括：入射源、入射源处理装置、分束器、反射差分组件、出射源处理装置和出射源；光束由入射源进入测量装置，并被入射源处理装置处理后形成平行光束；平行光束通过分束器后产生出射光束；出射光束通过反射差分组件垂直入射样品表面；通过样品表面的出射光束再顺次通过反射差分组件和分束器后，输入出射源处理装置；通过出射源处理装置的出射光束汇聚进入出射源；相对于样品表面的入射光束和出射光束间的夹角为0°。本公开中分束器的设置，将入射光路与出射光路整合到一套装置中，光学结构简单、体积小、重量轻，性能可靠；同时垂直入射的光学结构，能够实现不限长度的工作距离，且测量精度不受工作距离的影响，易于调整。

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种反射差分光学测量装置及其测量方法。图1为本公开实施例反射差分光学测量装置的示意图。如图1所示，包括：入射源、入射源处理装置、分束器3、反射差分组件、出射源处理装置和出射源。这里入射源处理装置可以选用离轴抛物反射镜2。分束器3可以选用1∶1非偏振分束立方。反射差分组件可以包括偏振器4和调制器6，其中调制器6可以选用消色差四分之一波片，偏振器4可以选用格兰汤姆逊型偏振立方，还包括第一旋转装置5和第二旋转装置7，第一旋转装置5与偏振器4连接，第二旋转装置7与调制器6连接，第一旋转装置5和第二旋转装置7均通过步进马达驱动。出射源处理装置可以包括：平面镜9和凹面镜10。入射源可以为入射光纤1，出射源可以为出射光纤11，入射光纤1和出射光纤11可以选用纤芯直径为200～1000微米的多模光纤。

光源光束通过入射光纤1后，由离轴抛物反射镜2变为平行光束，此平行光束入射分束器3后，由分束器3产生的出射光束通过偏振器4后成为线性偏振光，然后经过调制器6，调制后的光束垂直入射到样品8表面；样品8表面反射的光束入射到调制器6后，经由偏振器4成为线性偏振光，此线性偏振光经由分束器3后的透射光束依次经过平面镜9和凹面镜10反射后，汇聚进入出射光纤11；相对于样品8表面的入射光束和出射光束之间的夹角为0°。

本公开提供的反射差分光学测量装置，相对于样品8的入射光束和出射光束均为平行光束，且两束光线夹角为0°，因此光学测量装置不需对工作距离进行限制，能够实现无限远工作距离的测量。本公开的测量光谱范围为250～1000nm，测试样品的光束直径可为1～8mm。本公开中，将入射光纤1和出射光纤11的端口，以及第一旋转装置5和第二旋转装置7的控制端口统一布置在光学测量装置的同一侧面。

图2为本公开实施例反射差分光学测量方法的流程框图。如图2所示，包括：步骤A：偏振器4由第一旋转装置5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；步骤B：调制器6在第二旋转装置7带动下，在每一次测量过程中均旋转n个角度位置θ_i(i＝1，2，3，…n)，其中n＞3；步骤C：光探测器与出射光纤11的输出端连接，光探测器对应于调制器6的n个角度位置采集n次光强数据I_i(i＝1，2，3，…n)；步骤D：根据光探测器采集到的光强数据，求解如下方程组：

将求解得到的q、c、s带入如下公式即可得到反射差分信号：

其中i为虚数单位。

本公开在每一次测量过程中：偏振器4首先由第一旋转装置5带动旋转至一方位角后保持静止，该方位角可以是任意角度，以产生固定方位角的线性偏振光；调制器6在第二旋转装置7带动下，在每一次测量过程中均旋转n个角度位置θ_i(i＝1，2，3，…n)，其中n＞3，这里每一个角度均可以为任意角度，以实现对光束的调制；光探测器与出射光纤的另一端连接，其中光探测器对应于调制器6的n个角度位置采集n次光强数据I_i(i＝1，2，3，…n)；这些光强数据与调制器6的角度位置信息传输到计算机中，由计算机完成反射差分信号的数据运算。具体计算方法为求解恰定方程组或超定方程组，当旋转的角度个数n等与3时，方程组为恰定方程组，当n大于3时为超定方程组，即可求出q，c，s：

进一步由如下公式求得反射差分信号：

其中i为虚数单位。

至此，本公开一实施例反射差分光学测量装置介绍完毕。

至此，已经结合附图对本公开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公开反射差分光学测量装置有了清楚的认识。

综上所述，本公开中分束器的设置，将入射光路与出射光路整合到一套装置中，光学结构简单、体积小、重量轻，性能可靠；同时垂直入射的光学结构，能够实现不限长度的工作距离，且测量精度不受工作距离的影响，易于调整。

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，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，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，而仅示意本公开实施例的内容。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。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开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：即所要求保护的本公开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公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种反射差分光学测量装置，包括：

入射源；

入射源处理装置，对所述入射源的光进行处理以输出平行的入射光束；

分束器，将入射源输出的入射光束反射进入光路，使通过分束器的出射光束继续透射到光路中；

反射差分组件，对入射光束和/或出射光束进行偏振态和/或相位延迟上的调制；

出射源处理装置，使出射光束汇聚进入出射源；

出射源，收集出射光束并将其输出测量装置；

所述样品表面的入射光束和出射光束间的夹角为0°。

2.根据权利要求1所述的反射差分光学测量装置，所述反射差分组件包括：

偏振器，用于将经由分束器入射的非偏振光调制为线性偏振光，同时用于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，用于将经由所述偏振器入射的线性偏振光产生相位延迟后垂直入射样品表面；样品表面的出射光束再通过所述调制器后输入所述偏振器进行偏振态检测后，输入至所述分束器。

3.根据权利要求2所述的反射差分光学测量装置，还包括：

第一旋转装置，与所述偏振器连接，所述第一旋转装置旋转至一方位角后静止；

第二旋转装置，与所述调制器连接，所述第二旋转装置在每一次测量过程中均需要旋转n个角度，其中n＞3；所述第一旋转装置和所述第二旋转装置均通过步进马达驱动；

光探测器，与所述出射源的输出端连接。

4.根据权利要求1所述的反射差分光学测量装置，所述出射源处理装置包括：

平面镜，用于反射所述分束器输出的出射光束；

凹面镜，汇聚所述平面镜的出射光束使其进入所述出射源。

5.根据权利要求1所述的反射差分光学测量装置，所述入射源处理装置为离轴抛物反射镜。

6.根据权利要求1至5任一项所述的反射差分光学测量装置，所述入射源为入射光纤；所述出射源为出射光纤。

7.根据权利要求1至5任一项所述的反射差分光学测量装置，所述分束器包括平板分束镜、立方分束镜和/或薄膜分束镜。

8.根据权利要求2所述的反射差分光学测量装置，所述调制器为消色差的四分之一波片；所述偏振器包括薄膜偏振片、线栅偏振片和/或双折射晶体。

9.根据权利要求1至5任一项所述的反射差分光学测量装置，光谱测量范围为250～1000nm，测试样品直径为1～8mm。

10.一种利用权利要求1至9所述的反射差分光学测量装置进行的反射差分光学测量方法，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；

步骤B：调制器在第二旋转装置带动下，在每一次测量过程中均旋转n个角度位置θ_i(i＝1，2，3，…n)，其中n＞3；

步骤C：光探测器与出射光纤连接，光探测器对应于调制器的n个角度位置采集n次光强数据I_i(i＝1，2，3，…n)；

步骤D：根据光探测器采集到的光强数据，求解如下方程组：

将求解得到的q、c、s带入如下公式即可得到反射差分信号：

其中i为虚数单位。