CN110987817A - 基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量相关技术领域，并具体公开了一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法。所述椭偏仪包括物镜、镜筒透镜以及关于其中心轴对称布置的照明光路模块和明场光路模块，照明光路模块包括光源、单色仪、光纤、起偏臂以及第一反射镜，明场光路模块包括第二反射镜、检偏臂以及明场检测器。所述方法包括选择指定波长和特征的偏振光，先后经过照明光路模块实现偏振测量的倾斜入射条件，然后引入反射镜和垂直物镜光路，经过明场光路模块和暗场光路模块，可以同时实现明场和暗场观察测量。本发明可实现纳米结构薄膜光学常数以及膜厚、纳米结构特征线宽、线高、侧壁角等几何参数的全视场高分辨率、低成本、非破坏性精确测量。

Description

基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法

技术领域

本发明属于光学测量相关技术领域，更具体地，涉及一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法。

背景技术

目前常用的微纳测量仪器中，扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)都是使用超微探针在样品表面进行扫描；扫描电子显微镜(SEM)则是使用电子束打在样品上，整个测量过程需要在真空环境下进行。这几种仪器虽然测量精度和分辨率高，但是测量过程耗时长且具有破坏性，需要单独制样，成本高。对比之下光学无损检测通常具有低成本的优势，类似干涉测量和椭偏测量这样的方法具有快速，非接触，非破坏的特点。但是传统的干涉仪和椭偏仪的横向分辨率都有限，不能适应越来越小的结构尺寸，为此诞生的成像椭偏仪和同类变种，同时具有高横向分辨率和纵向分辨率，是一类很有前景的测量工具。

因为椭偏测量法在测量尺寸的同时也可以得到样品的光电特性，所以除了半导体制造领域之外，成像椭偏装置还广泛应用在很多科研领域。在二维材料的研究中，现在的二维材料制备方式中主要有机械剥离和化学生长两类方法。其中化学气相沉积(CVD)生长得到的样品尺寸大小有限，如MoS₂通常是边长几十微米的等边三角形，机械剥离得到的材料，如石墨烯，也需要测量确定其层数。传统的椭偏测量得到的是检测光斑区域内的平均信息，虽然可以使用微光斑***来提升横向分辨率，但是受限于透镜和光源等因素的限制，分辨率很难小于50μm。为进一步提高其分辨率，在偏振光路中增加成像光路得到成像椭偏仪，横向分辨率可以达到1μm以下，可以很好的胜任对MoS₂这样的二维材料的厚度测量和光电特性的研究工作。其非接触，快速的测量特点也很适合用于生物材料和液体薄膜的测量，尤其是一些流体薄膜动态过程的观察。

现有技术中，像椭偏仪结构光路包括倾斜的起偏臂和检偏臂，通过在偏振测量光路上增加成像器件，实现了高分辨率的椭偏参数测量。不过这样的光路受限于倾斜入射条件下的物像关系和物镜景深，在成像过程中，清晰视场将被限制在一个狭窄的带状区域，这在一定程度上限制了该设备的使用范围。

因此，本领域亟待提出一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法，同时可以整合暗场观察设备，结合椭偏测量，实现对样品的全视场高分辨率测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法，其中结合独立设置的起偏单元和检偏单元以及对称分布反射镜结构的垂直物镜式光路，能调制自然光产生多种偏振态不同的偏振光，根据测量目标选择合适的调制解调方式，以得到样品的椭偏参数或是全部的穆勒矩阵元素，同时，在光线传播过程中，首先从光源发出的光线经过准直透镜转化为平行光，经过起偏单元调制得到偏振光，经过反射镜反射后，光束质心光线经过镜筒透镜后焦点，光束将汇聚到其前焦面上，物镜和镜筒透镜共轭布置，以此方式，光束在经过物镜之后将以一个较大的入射角打到样品上，保证偏振测量的精度，光路使用的垂直物镜结构还能收集到高级次衍射光和散射光，在反射镜组上方可以增加一个暗场成像光路，实现对细微结构的观察。本发明采用了两反射镜式的垂直物镜式光路结构，相比一般使用分束器实现的垂直反射式光路，本发明光路具有更高的光强利用率，同时可以整合暗场观察设备，结合椭偏测量，实现对样品的全视场高分辨率测量。同时，本发明装置可实现对纳米结构薄膜，包括二维材料和纳米加工结构的光学常数以及膜厚、纳米结构特征线宽、线高、侧壁角等几何参数的全视场高分辨率、低成本、非破坏性精确测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，包括垂直于样品上方依次布置的物镜和镜筒透镜，其中，

所述镜筒透镜上方还布置有照明光路模块和明场光路模块，所述照明光路模块和明场光路模块关于镜筒透镜和物镜的中心连线对称布置；

所述照明光路模块包括光源、单色仪、光纤、起偏臂以及第一反射镜，所述光源发射的光源通过单色仪进行筛选后经所述光纤传递至所述起偏臂，所述起偏臂用于将所述光纤传递的光源转化为偏振态可知的入射偏振光，并将该入射偏振光通过所述第一反射镜反射给所述镜筒透镜，该入射偏振光经所述镜筒透镜聚焦后通过所述物镜照到样品到上，所述物镜用于增大聚焦后的入射偏振光照到样品上入射角，入射偏振光经过样品的反射进入明场光路模块；

所述明场光路模块包括第二反射镜、检偏臂以及明场检测器，经所述样品反射的入射偏振光经第二反射镜反射后传递至所述检偏臂，所述检偏臂用于将所述第二反射镜反射的入射偏振光转化为偏振态可知的反射偏振光，所述明场检测器用于接收该反射偏振光并对该反射偏振光进行分析，以实现整个视场区域内样品的椭偏参数、厚度或者光学常数的测量。

作为进一步优选的，所述椭偏仪还包括暗场光路模块，所述暗场光路模块布置于所述照明光路模块和明场光路模块的上方，且其中心轴与镜筒透镜和物镜的中心连线共线，所述第一反射镜与第二反射镜关于该暗场光路模块的中心轴对称布置。

作为进一步优选的，所述暗场光路模块包括暗场中继镜和暗场检测器，所述暗场中继镜设于所述暗场检测器的下方，所述入射偏振光在经样品反射后，产生的部分散射光依次经过所述物镜和所述镜筒透镜后，被所述暗场中继镜转化成散射平行光后进入所述暗场检测器，所述暗场检测器对该散射平行光的特性进行分析，以实现对样品表面特征的三维重构和偏振特性的表征。

作为进一步优选的，所述起偏臂包括准直透镜和起偏单元，所述准直透镜布置于靠近所述光纤出射光的一侧，用于接收所述光纤发出的光源，并将该散射的光源转化为平行光；所述起偏单元设于所述准直透镜和所述第一反射镜之间，用于将所述平行光转化为偏振态可知的入射偏振光；

所述检偏臂包括转像透镜组和检偏单元，所述转像透镜组设于靠近所述第二反射镜的一侧，用于将经所述第二反射镜反射的入射偏振光聚焦后转化为平行光，所述检偏单元设于所述明场检测器和所述转像透镜组之间，用于对转像透镜组产生的平行光进行偏振态的解调制。

作为进一步优选的，所述起偏单元包括两个偏振器和补偿器组；所述检偏单元包括两个偏振器和补偿器组。

作为进一步优选的，所述转像透镜组由两个共轭的第一转向透镜和第二转向透镜构成；

所述第一转向透镜和第二转向透镜的中间焦点处还设置有第二小孔光阑，用于过滤部分散射光。

作为进一步优选的，所述椭偏仪还包括设于所述第一反射镜与所述起偏臂之间的第一小孔光阑，所述第一小孔光阑用于过滤部分经所述起偏臂处理后的入射偏振光的散射光。

作为进一步优选的，所述第一反射镜的下方设有第一旋转台，所述第二反射镜下方设有第二旋转台，所述第一旋转台用于调整第一反射镜的倾斜角度，使得所述第一反射镜反射的入射偏振光经所述物镜后投射到样品表面的入射偏振光入射角为样品的布鲁斯特角；所述第二旋转台用于调整所述第二反射镜的倾斜角度，使得其与所述第一反射镜关于所述物镜呈对称布置。

作为进一步优选的，所述物镜为数值孔径大于0.82的无限远光校正无应力平场半复消色差物镜或数值孔径大于0.82的无限远光校正无应力平场复消色差物镜；优选的，所述物镜为数值孔径为0.95的无限远光校正无应力平场半复消色差物镜或数值孔径为0.95的无限远光校正无应力平场复消色差物镜；所述明场检测器和所述暗场检测器为CCD相机或者CMOS相机。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪的测量方法，包括以下步骤：

S1打开光源，调整单色仪使其能发射指定波长的单色光，调至准直透镜和起偏臂，确保单色光在进入所述起偏臂之前的平行度，再经过起偏臂后产生偏振态可知的入射偏振光，调整第一反射镜和第二反射镜的倾斜角，确保入射偏振光经过镜筒透镜和物镜后以预定的入射角照射到样品上；

S2将样品放置于样品台上，调整样品与所述物镜之间的距离，使得在明场检测器和暗场检测器的观测区域能看到清晰的图像；

S3所述光源经过单色仪发射的单色光经光纤照射到所述准直透镜，该单色光在所述准直透镜的作用下转化为平行光后传递至所述起偏臂，所述起偏臂用于将所述光纤传递的光源转化为偏振态可知的入射偏振光，并将该入射偏振光通过所述第一反射镜反射给所述镜筒透镜，该入射偏振光经所述镜筒透镜聚焦后通过所述物镜照到样品到上，所述物镜用于增大聚焦后的入射偏振光照到样品上入射角，入射偏振光经过样品的反射进入明场光路模块，经所述样品反射的入射偏振光经第二反射镜反射后传递至所述检偏臂，所述检偏臂用于将所述第二反射镜反射的入射偏振光转化为偏振态可知的反射偏振光，所述明场检测器用于接收该反射偏振光对应的光强信号，所述暗场检测器用于接收所述入射偏振光在经样品反射后产生的部分散射光的光强信号；

S4改变所述起偏臂和所述检偏臂的偏振态，重复步骤S3，从而获取预设组的不同偏振态反射偏振光对应的光强信号，并对预设组的反射偏振光的光强信号进行分析，以实现整个视场区域内样品的椭偏测量参数、厚度测量参数或者光学常数测量参数的测量；所述暗场检测器接收不同偏振态的所述入射偏振光经样品反射后产生的部分散射光的光强信号，以实现对样品的微小结构进行对比观察检测；

S5改变光源和单色仪发射的单色光的波长，重复步骤S1～S4，得到预设组的不同波长下的样品的椭偏测量参数、厚度测量参数或者光学常数测量参数，然后以此计算获取样品的椭偏参数、厚度或者光学常数；同时，所述暗场检测器接收不同波长下的所述入射偏振光经样品反射后产生的部分散射光的光强信号，并以此实现对样品表面特征的三维重构和偏振特性的表征。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明结合独立设置的起偏单元和检偏单元以及对称分布反射镜结构的垂直物镜式光路，能调制自然光产生多种偏振态不同的偏振光，根据测量目标选择合适的调制解调方式，以得到样品的椭偏参数或是全部的穆勒矩阵元素，同时，在光线传播过程中，首先从光源发出的光线经过准直透镜转化为平行光，经过起偏单元调制得到偏振光，经过反射镜反射后，光束质心光线经过镜筒透镜后焦点，光束将汇聚到其前焦面上，物镜和镜筒透镜共轭布置，以此方式，光束在经过物镜之后将以一个较大的入射角打到样品上，保证了偏振测量的精度。

2.本发明采用了两反射镜式的垂直物镜式光路结构，相比一般使用分束器实现的垂直反射式光路，本发明光路具有更高的光强利用率，同时可以整合暗场观察设备，结合椭偏测量，实现对样品的全视场高分辨率测量。

3.本发明使用垂直物镜式光路，样品和物镜主平面平行放置，从根源上解决了两臂倾斜布置光路中清晰视场狭窄的问题。搭配上景深合适的转像***，可以实现全视场高分辨的椭偏测量。

4.本发明使用对称的反射镜折转入射光路实现接近布儒斯特角的大角度入射的垂直物镜式光路。相比使用分束器实现同样功能的光路，本发明具有更高的光利用率，同时成像过程中不会出现鬼像的干扰。

5.本发明使用的大数值孔径物镜同时参与明场和暗场观察。暗场观察可以观察到更细微的样品结构，能进一步扩大本发明的适用领域。本发明的光路结构下，物镜同时参与到照明，明场信号收集，暗场信号收集中，避免了传统椭偏仪上增加暗场观察光路时物镜机械结构干涉的问题。

6.本发明使用一对共轭的转像透镜将中间像投到面阵探测器上。两个透镜之间光线存在实焦点，在其中该位置设置光阑可以有效减少杂散光对测量数据的影响，在测量具有背反的样品时有显著的作用。

总而言之，本发明针对现阶段纳米薄膜结构和二维材料测量表征的实际需求，提供了一种可以实现全视场高分辨率的纳米结构薄膜和二维材料偏振测量和暗场观测的设备，以实现对具有空间分布不均匀的纳米薄膜，如工加工结构和薄膜自然生长结构的特征参数进行快速，高效，非接触，非破坏的测量标定。

附图说明

图1是本发明实施例涉及的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪的结构示意图；

图2是图1中涉及的照明光路结构示意图；

图3是图1中涉及的明场成像光路结构示意图；

图4是图1中涉及的暗场成像光路结构示意图；

图5是图1中涉及的偏振测量光路结构示意图；

图6是本发明实施例涉及的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪的反射镜倾角布置关系图；

图7是本发明图1中涉及的用于测量样品椭偏参数的不同的起偏单元和检偏单元的组合结构示意图，其中，图7中的(a)为不同起偏单元的组合，图7中的(b)为不同检偏单元的组合；

图8是本发明图1中涉及的用于测量样品全穆勒矩阵元素的不同的起偏单元和检偏单元的组合结构示意图，其中，图8中的(a)为不同起偏单元的组合，图8中的(b)为不同检偏单元的组合。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-光源，2-单色仪，3-光纤，4-起偏臂，5-准直透镜，6-起偏单元，7-第一小孔光阑，8-第一反射镜，9-圆筒透镜，10-物镜，11-样品，12-样品台，13-第二反射镜，14-检偏臂，15-第一转向透镜，16-第二转向透镜，17-第二小孔光阑，18-检偏单元，19-明场检测器，20-暗场中继镜，21-暗场检测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、如2、图3、图4、图5所示，本发明一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪及测量方法包括：垂直于样品11上方依次布置的物镜10和镜筒透镜9，其中，所述镜筒透镜9上方还布置有照明光路模块和明场光路模块，所述照明光路模块和明场光路模块关于镜筒透镜9和物镜10的中心连线对称布置；所述照明光路模块包括光源1、单色仪2、光纤3、起偏臂4以及第一反射镜8，所述光源1发射的光源通过单色仪2进行筛选后经所述光纤3传递至所述起偏臂4，所述起偏臂4用于将所述光纤3传递的光源转化为偏振态可知的入射偏振光，并将该入射偏振光通过所述第一反射镜8反射给所述镜筒透镜9，该入射偏振光经所述镜筒透镜9聚焦后通过所述物镜10照到样品11到上，所述物镜10用于增大聚焦后的入射偏振光照到样品11上入射角，入射偏振光经过样品11的反射进入明场光路模块；所述明场光路模块包括第二反射镜13、检偏臂14以及明场检测器19，经所述样品11反射的入射偏振光经第二反射镜13反射后传递至所述检偏臂14，所述检偏臂14用于将所述第二反射镜13反射的入射偏振光转化为偏振态可知的反射偏振光，所述明场检测器19用于接收该反射偏振光并对该反射偏振光进行分析，以实现整个视场区域内样品11的椭偏参数、厚度或者光学常数的测量。

所述椭偏仪还包括暗场光路模块，所述暗场光路模块布置于所述照明光路模块和明场光路模块的上方，且其中心轴与镜筒透镜9和物镜10的中心连线共线，所述第一反射镜8与第二反射镜13关于该暗场光路模块的中心轴对称布置。所述暗场光路模块包括暗场中继镜20和暗场检测器21，所述暗场中继镜20设于所述暗场检测器21的下方，所述入射偏振光在经样品11反射后，产生的部分散射光依次经过所述物镜10和所述镜筒透镜9后，被所述暗场中继镜20转化成散射平行光后进入所述暗场检测器21，所述暗场检测器21对该散射平行光的特性进行分析，以实现对样品11表面特征的三维重构和偏振特性的表征。

所述起偏臂4包括准直透镜5和起偏单元6，所述准直透镜5布置于靠近所述光纤3出射光的一侧，用于接收所述光纤3发出的光源，并将该散射的光源转化为平行光；所述起偏单元6设于所述准直透镜5和所述第一反射镜8之间，用于将所述平行光转化为偏振态可知的入射偏振光；所述检偏臂14包括转像透镜组和检偏单元18，所述转像透镜组设于靠近所述第二反射镜13的一侧，用于将经所述第二反射镜13反射的入射偏振光聚焦后转化为平行光，所述检偏单元18设于所述明场检测器19和所述转像透镜组之间，用于对转像透镜组产生的平行光进行偏振态的解调制。

所述转像透镜组由两个共轭的第一转向透镜15和第二转向透镜16构成；所述第一转向透镜15和第二转向透镜16的中间焦点处还设置有第二小孔光阑17，用于过滤部分散射光。所述椭偏仪还包括设于所述第一反射镜8与所述起偏臂4之间的第一小孔光阑7，所述第一小孔光阑7用于过滤部分经所述起偏臂4处理后的入射偏振光的散射光。

所述第一反射镜8的下方设有第一旋转台，所述第二反射镜13下方设有第二旋转台，所述第一旋转台用于调整第一反射镜8的倾斜角度，使得所述第一反射镜8反射的入射偏振光经所述物镜10后投射到样品11表面的入射偏振光入射角为样品11的布鲁斯特角；所述第二旋转台用于调整所述第二反射镜13的倾斜角度，使得其与所述第一反射镜8关于所述物镜10呈对称布置。

所述物镜10为数值孔径大于0.82的无限远光校正无应力平场半复消色差物镜或数值孔径大于0.82的无限远光校正无应力平场复消色差物镜；优选的，所述物镜10为数值孔径为0.95的无限远光校正无应力平场半复消色差物镜或数值孔径为0.95的无限远光校正无应力平场复消色差物镜；所述明场检测器19和所述暗场检测器21为CCD相机或者CMOS相机。

具体而言，本发明主体是一个成像椭偏仪，提供了一种使用基于对称分布反射镜结构的垂直物镜式光路，光路包括独立的起偏单元和检偏单元。其中起偏单元做照明光路模块部分，能调制自然光产生多种偏振态不同的偏振光，检偏单元在明场检测器之前，负责样品反射光的偏振态的解调。根据测量目标选择合适的调制解调方式，本发明椭偏仪可以得到样品的椭偏参数或是全部的穆勒矩阵元素，在此基础上，通过散射测量理论对样品进行建模分析，可以得到样品的膜厚，介电常数，特征结构参数等重要信息。

本发明装置基于反射镜的垂直物镜式偏振照明光路，参与照明光路的元器件包括准直透镜，小孔光阑，反射镜，镜筒透镜，大数值孔径无穷远校正物镜和上述起偏单元。定性描述照明光路中光线的行为：首先从光源发出的光线经过准直透镜转化为平行光，经过起偏单元调制得到入射偏振光，经过反射镜反射后，入射偏振光光束质心光线经过镜筒透镜后焦点，入射偏振光将汇聚到其前焦面上，物镜和镜筒透镜共轭布置，以此方式，入射偏振光在经过物镜之后增大了照射到样品上的入射角，即入射偏振光以一个较大的入射角打到样品上，保证偏振测量的精度。

本发明装置还包括检偏光路，包含了成像器件和检偏单元，其中成像器件包括上述的物镜和镜筒透镜，第二反射镜，第一转像透镜，第二转像透镜。第二反射镜与上述照明光路的第一反射镜对称分布。样品上反射的入射偏振光再次经过物镜和镜筒透镜，打到第二反射镜上。以上这一部分光路和偏振照明光路对称，反射光线和照明光线完全对称。样品将在镜筒透镜后焦面上成像，这个样品的像经过第二反射镜和转像透镜组投影到明场检测器的检测面上。在成像光路中设置检偏单元，实现成像椭偏测量的目的。同时，光路使用的垂直物镜结构还能收集到高级次衍射光和散射光，在反射镜组上方可以增加一个暗场成像光路，实现对样品细微结构的观察。

本发明装置中起偏单元和检偏单元均包括线两个偏振器和一系列补偿器。补偿器类型和调制方式按测量目标不同进行不同的组合和调整方案，实现偏振调制测量的目标。本发明实施案例中，使用旋转波片型的调制方式。具体的当测量样品的椭偏参数时，可以选择的补偿器方案有：旋转调制的波片，两个液晶可变位相器等，沿着光路偏振器件分别为：起偏器，补偿器，样品，检偏器(或起偏器，样品，补偿器，检偏器)；当测量样品的全穆勒矩阵元素时，可以选择的补偿器方案有：两个旋转调制的波片，四个液晶可变位相器等，沿着光路偏振器件分别为：起偏器，第一个旋转波片(或两个液晶可变位相器)，样品，第二个旋转波片(或两个液晶可变位相器)，检偏器等等。具体而言，本发明提供的起偏单元和检偏单元如图7和图8展示的情况，实际选用的偏振器件搭配需要操作者根据具体的测量目标做出的调整。椭偏参数的测量目标可以是样品的椭偏参数振幅比角Ψ和相位差角Δ，也可以选择样品全穆勒矩阵元素。对于各项同性的样品，通常只要测量其椭偏参数角，但是对于各项异性的样品而言，椭偏参数并不能很好的表征样品的性质，因而其穆勒矩阵元素的测量也非常重要。其中，起偏单元和检偏单元使用的元件都包括线偏振片，延迟器及相关延迟器调节装置。不同的测量目标使用的器件组合的组要差别主要集中在延迟器的选用上。线偏振片的选用原则上只要保证其在工作波段内保持良好的消光比κ即可，常见的选择包括格兰泰勒棱镜，格兰汤姆森棱镜，金属线栅型偏振片等。延迟器的选择可以是波片，液晶可变位相器，光弹调制器等，在测量目标对象为椭偏参数角时，可以选用的组合有起偏单元或检偏单元的单波片，双液晶可变位相器，单光弹调制器或双光弹调制器等，测量目标对象为样品的全穆勒矩阵元素时，可以选用的组合有起偏单元和检偏单元的两片波片，四液晶可变位相器，四光弹调制器等方式。这些组合对应的延迟量调节装置不同，其中，波片常常使用电机驱动旋转调制的方式实现，对于两个波片的情况，需要控制两个波片的转速比恒定同步旋转，通常选用的旋转转速比包括5:1和5:3，而液晶可变位相器则使用电压调节，不同的电压下，具有不同的延迟量，光弹调制器可以选用合适的震荡信号调节，也可以采用电压调节的方式。特殊的，一般情况下起偏单元和检偏单元安装可以互相颠倒，不影响***测量功能。对应的这些调节方式通过配套的计算机进行调节，实现测量需要。

本发明装置中两个对称布置的反射镜组实现光线折转，实现物镜的后焦面会聚光束焦点位置的离轴。调整反射镜倾斜角，可以使经过物镜投射到样品表面的入射角为样品的布鲁斯特角，保证偏振测量的准确性。反射镜的倾斜角使用旋转位移台进行调节。反射镜与各透镜的距离按其焦距进行计算，两反射镜沿物镜光轴对称分布。其中间间隙可以通过样品表面高级次衍射光和散射光，在此基础上可以在物镜光路对样品进行暗场观察。具体而言，本发明的主要特征在于使用对称反射镜结构的垂直物镜式光路结构。在该装置中，光源选择带波长选择设备(如单色仪，滤光片等)的宽光谱光源，通过变波长扫描实现测量样品光谱信息的目的。显微成像光路在整个光路中主要起到了两个作用：第一是收集经过反射镜之后的光线，经过显微成像***的透镜系，产生一束大角度(入射角大于样品布儒斯特角)的平行偏振光照射到样品上；第二点收集样品上的反射信息，用于进行后续的偏振分析和暗场观察。反射镜在光路中的对称布置，设置合适的角度和间距，可以实现两个功能，第一是使起偏单元之后的光线相对物镜光轴具有一个合适的光线角，实现大角度照明；第二是分离零级光和高级次光，实现明暗场同步观察。本发明的光路通过使用反射镜，来实现光线偏移的目的，直接避免了这些问题。反射镜的倾斜角使用旋转位移台进行调节。使用反射镜组的另一个好处是同时可以调节反射镜的间距实现***零级光和高级次衍射光分离，允许***同时整合暗场观测光路。使用反射镜代替分束器，在图6展示了实现这一目标需要的反射镜和显微光路的布置关系。为使用反射镜达到想要的光路效果，需要将反射镜设置在合适的角度

按照反射定律和透镜关系可以计算得到：

在这样的角度关系下，平面镜的反射光束的主光线经过镜筒透镜的后焦点，经过镜筒透镜后主光线将平行于光轴传播并会聚在物镜后焦面上。这样相对于光轴偏移的会聚光束在经过物镜后会平行经过物镜前焦点。由此不难看出，垂直物镜式光路可以产生的最大入射角等于物镜的最大孔径角。因此，将物镜应用在偏振光路中需要的物镜数值孔径最好大于0.9，本发明使用数值孔径大小为0.95，满足测量和成像两方面的需求。

本发明装置中的物镜和镜筒透镜构成一个显微光路。使用的物镜是一个大数值孔径的无穷欲校正平场消色差物镜，配合镜筒透镜和反射镜，实现偏振光以布儒斯特角入射和样品反射光的收集两大功能。样品反射光在镜筒透镜后焦面成像，视场大小可以由照明的小孔光阑大小控制。

本发明装置中的转像透镜组包括一组共轭的透镜，是一个无焦***。其第一个透镜在反射镜折转下与镜筒透镜共轭，从而将物镜***所成的明场像转移到面阵探测器上。由于在透镜组之间光线会有一个实焦点，可以在这个光线焦点处设置一个用于阻隔杂散光的小孔光阑，这样的结构在测量带有背反现象的样品时可以保证测量的可靠性。具体而言，由于光路观察的需要，需要在光路中加入转像透镜组。物镜成像光路收集样品上的反射光，并在镜筒透镜的后焦面上成一个中间像。本发明的光路结构很难直接使用探测器检测收集中间像的光线强度分布，需要使用转像透镜组将中间像面的物像信息转移到面阵探测器接收面上。偏振测量的转像透镜的基本结构是一个无焦***，可以按照实际测量需要在此基础上增加检偏单元。无焦***使用一组焦平面共轭的透镜实现，其优点在于透镜中间存在一个实焦点，可以在该位置设置过滤杂散光(主要是背反)的光阑。样品反射光在转像光路中，偏振态经过检偏单元的调制解调，最后探测器上的每一个像素点对应的光强测量结果都可以看出一次独立的椭偏测量得到的测量光强。通过对图像上各个像素点进行独立的椭偏参数分析，可以准确地重构出包含整个成像视场的大面积区域内待测纳米结构薄膜的几何参数三维显微形貌与光学常数三维显微形貌。类似的暗场信息同样需要一个中继镜结构。暗场中继镜同样可以使用一个无焦***实现成像观察，与明场相比，它不需要设置消杂散的光阑，主要原因在于中间像中的各级散射光孔径角不同，没有统一的实焦点位置。此外，也可以使用单个透镜进行暗场的频域观察。

本发明装置中的暗场观察使用物镜，镜筒透镜和中继透镜实现。三个器件焦平面共轭。物镜收集的0级反射光通过反射镜进入检偏光路，余下的高级次衍射光和散射光，通过一组共轭的中继透镜镜收集到面阵探测器上，实现暗场观察。

本发明装置中的光源优先使用多种不同波长的单色光源，实现椭偏光谱的测量。光源的实现方式可以采用宽光谱白光光源和波长过滤器的组合，也可以使用不同波长的激光组合测量。需要注意在使用激光光源时需要在光源后增加消散斑装置，减少激光散粒噪声。

本发明装置中的明场检测器和暗场检测器可以采用CCD或CMOS相机。测量时，探测器每一个像素点采集得到的光强都是独立的，可以单独进行椭偏分析。

本发明中的明场光路成像过程中，具体的成像原理如图3所示。物镜和镜筒透镜构成显微成像光路，样品表面反射光的反射角为θ，质心光线和物镜光轴相交，经过物镜之后，将沿光垂直聚到物镜后焦面上，镜筒透镜和物镜共轭放置，转像成像单元由一组共轭的转像透镜组构成，显微成像光路所成的像从镜筒透镜的后焦面上经过反射器件和转像透镜组后，转移到相机接收面上。注意到在显微光路的设置方式，中间像相对于光线光轴是倾斜的，这个倾斜角θ′和θ的关系满足公式：

WDtanθ＝f₁tanθ′

本发明装置中使用的镜筒透镜的焦距远大于大数值孔径物镜的工作距离，因此计算发现θ′的值很小。对于转像透镜组，按照景深公式可以满足整个中间像分布在暗场中继透镜组的景深范围内，保证最后的成像在全视场范围内具有均匀的高分辨率。第一转像透镜和镜筒透镜之间的光程等于两者的焦距之和，第一转像透镜和第二转像透镜共轭。中间像在反射器件的作用下，等效于分布在暗场中继透镜的前焦面上，经过转像透镜组之后，物像信息以光强信号的方式被相机接收，满足测量目的。

成像***的放大倍率受到显微光路和暗场中继成像部分的影响。***的放大倍率M为：

其中的f₀,M₀分别代表与物镜匹配的原厂标准镜筒透镜的焦距和物镜的标定放大倍率，f₃/f₂则是转像透镜组的放大率，为保证良好的分辨率效果，***的放大倍率要尽可能大，因此最好选择透镜时满足f₃/f₂≥1。但是，为了保证***的空间结构紧凑，转像透镜组的焦距不宜太大，可以视具体的测量进行选择。

为满足偏振入射的入射角要求，本发明装置对物镜的孔径角大小有明确的要求。在物镜的基本参数中，定义了物方孔径角和折射率的乘积为数值孔径。由于大部分材料的布儒斯特角都在55°左右，设计时按入射角θ最小为55°来算，本发明中使用的物镜数值孔径必须大于0.82。实际上，本发明优选的使用数值孔径为0.95的物镜，评估***分辨率可以使用瑞利公式计算：

其中，系数k在使用非相干光束时为0.61，λ是标定分辨率时使用的光的波长。由于使用的物镜数值孔径较大，因此***的横向分辨率可以很好的满足测量需要。

本发明的暗场光路，包括显微光路，暗场中继镜组和暗场检测器。对于复杂的表面微纳结构，光线与样品作用将不再满足简单的几何光学理论。样品上的细微结构尺寸接近或小于光的波长时，光线将发生衍射和散射现象。各级衍射光的散射角α可以由光栅公式计算得到：

d(sinθ+sinα)＝kλ

其中，大部分光强都集中在零级反射光(镜面反射光)。虽然高级次衍射光的光强小，但是包含许多有关样品表面细微结构的信息。这一部分信息在明场检测中往往淹没在基底的白噪声(零级反射光)中，难以观察。暗场检测是通分离零级反射光，只收集高级次光线的方式。这样的光路中，探测器的背景信号是仪器自身的暗电流，可以提高***收集信号对高级次信号的高信噪比，进而实现对基底上的结构进行高分辨率观察。暗场观察相比明场在分辨率上有巨大的提升。普通的光学显微光路的极限分辨率在200nm左右，而暗场显微观察的分辨率可以到50nm以下。传统的垂直物镜的反射式成像椭偏光路中，使用的分束器难以实现零级光的分离，同时其自带的巨大的光强损耗也不利于进行暗场观察，因此很难在偏振测量的同时实现暗场观察。本发明提供的光路中，反射镜可以在保证光强利用率的同时有效的分离出零级光线，可以同步进行带偏振调制的明暗场观察。

本发明的暗场观察光路如图4所示，大角度入射的光线在样品上同时产生多级次的衍射光。在经过显微光路后，这些光线在镜筒透镜后焦面上成像。这个中间像同时包含了明场信息和暗场信息。其中高级次的衍射光不会经过后续的反射镜，穿过两反射镜的间隙，通过中继镜将其收集并由相机接收该信号，实现暗场观察。

检测器的信号对比度可以直观的看出样品的平面分布情况。为更好的展示本发明的测量原理，结合装置示意图1和光路原器件对光路的传播进行详尽说明。光源1使用宽光谱的白光光源，出射的光直接进入波长选择器2产生的单色光，利用光纤将光线导入起偏臂4，为保证良好的光线接收效率，通常需要在光线入口之前设置一个光纤耦合器。起偏臂端包括准直透镜和起偏单元，根据光纤的数值孔径选择合适的准直透镜5，得到平行度良好的入射光，经过起偏单元6，在第一反射镜9的作用下经过镜筒透镜9的后焦点，经过镜筒透镜9后，光束会聚于物镜后焦面上，在物镜10作用下大角度照射在样品上。反射光经过物镜10和镜筒透镜9在镜筒透镜9的后焦面上成一个中间像。后续的检测光路可以分为明场和暗场两部分，明场光路使用第二反射镜13分离零级反射光，折转后经过转像透镜组和检偏单元由明场检测器接收，光路中的杂散光通过暗场中继镜中间的小孔光阑过滤去除，提高光路对于背反样品的检测精度。而反射光线中的高级次光线经过两反射镜中间的空隙，由中继镜组投影到暗探测器上，同时完成暗场成像。

具体而言，本发明装置的偏振测量过程总结为以下几个步骤：

S1打开光源1，调整单色仪2，使其能发射指定波长的单色光，调至准直透镜5和起偏臂4，确保单色光在进入所述起偏臂4之前的平行度，再经过起偏臂4后产生偏振态可知的入射偏振光，调整第一反射镜8和第二反射镜13的倾斜角，确保入射偏振光经过镜筒透镜9和物镜10后以预定的入射角照射到样品11上；

S2将样品11放置于样品台上，调整样品11与所述物镜10之间的距离，使得在明场检测器19和暗场检测器21的观测区域能看到清晰的图像；

S3所述光源1经过单色仪2发射的单色光经光纤3照射到所述准直透镜5，该单色光在所述准直透镜5的作用下转化为平行光后传递至所述起偏臂4，所述起偏臂4用于将所述光纤3传递的光源转化为偏振态可知的入射偏振光，并将该入射偏振光通过所述第一反射镜8反射给所述镜筒透镜9，该入射偏振光经所述镜筒透镜9聚焦后通过所述物镜10照到样品11到上，所述物镜10用于增大聚焦后的入射偏振光照到样品11上入射角，入射偏振光经过样品11的反射进入明场光路模块，经所述样品11反射的入射偏振光经第二反射镜13反射后传递至所述检偏臂14，所述检偏臂14用于将所述第二反射镜13反射的入射偏振光转化为偏振态可知的反射偏振光，所述明场检测器19用于接收该反射偏振光对应的光强信号，所述暗场检测器21用于接收所述入射偏振光在经样品11反射后产生的部分散射光的光强信号；

S4改变所述起偏臂4和所述检偏臂14的偏振态，重复步骤S3，从而获取预设组的不同偏振态反射偏振光对应的光强信号，并对预设组的反射偏振光的光强信号进行分析，以实现整个视场区域内样品11的椭偏测量参数、厚度测量参数或者光学常数测量参数的测量；所述暗场检测器21接收不同偏振态的所述入射偏振光经样品11反射后产生的部分散射光的光强信号，以实现对样品的微小结构进行对比观察检测；

S5改变光源1和单色仪2发射的单色光的波长，重复步骤S1～S4，得到预设组的不同波长下的样品11的椭偏测量参数、厚度测量参数或者光学常数测量参数，然后以此计算获取样品11的椭偏参数、厚度或者光学常数；同时，所述暗场检测器21接收不同波长下的所述入射偏振光经样品11反射后产生的部分散射光的光强信号，并以此实现对样品11表面特征的三维重构和偏振特性的表征。

强信号，并以此实现对样品11表面特征的三维重构和偏振特性的表征。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，包括垂直于样品(11)上方依次布置的物镜(10)和镜筒透镜(9)，其中，

所述镜筒透镜(9)上方还布置有照明光路模块和明场光路模块，所述照明光路模块和明场光路模块关于镜筒透镜(9)和物镜(10)的中心连线对称布置；

所述照明光路模块包括光源(1)、单色仪(2)、光纤(3)、起偏臂(4)以及第一反射镜(8)，所述光源(1)发射的光源通过单色仪(2)进行筛选后经所述光纤(3)传递至所述起偏臂(4)，所述起偏臂(4)用于将所述光纤(3)传递的光源转化为偏振态可知的入射偏振光，并将该入射偏振光通过所述第一反射镜(8)反射给所述镜筒透镜(9)，该入射偏振光经所述镜筒透镜(9)聚焦后通过所述物镜(10)照到样品(11)到上，所述物镜(10)用于增大聚焦后的入射偏振光照到样品(11)上入射角，入射偏振光经过样品(11)的反射进入明场光路模块；

所述明场光路模块包括第二反射镜(13)、检偏臂(14)以及明场检测器(19)，经所述样品(11)反射的入射偏振光经第二反射镜(13)反射后传递至所述检偏臂(14)，所述检偏臂(14)用于将所述第二反射镜(13)反射的入射偏振光转化为偏振态可知的反射偏振光，所述明场检测器(19)用于接收该反射偏振光并对该反射偏振光进行分析，以实现整个视场区域内样品(11)的椭偏参数、厚度或者光学常数的测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述椭偏仪还包括暗场光路模块，所述暗场光路模块布置于所述照明光路模块和明场光路模块的上方，且其中心轴与镜筒透镜(9)和物镜(10)的中心连线共线，所述第一反射镜(8)与第二反射镜(13)关于该暗场光路模块的中心轴对称布置。

3.根据权利要求2所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述暗场光路模块包括暗场中继镜(20)和暗场检测器(21)，所述暗场中继镜(20)设于所述暗场检测器(21)的下方，所述入射偏振光在经样品(11)反射后，产生的部分散射光依次经过所述物镜(10)和所述镜筒透镜(9)后，被所述暗场中继镜(20)收集后进入所述暗场检测器(21)，所述暗场检测器(21)对该散射平行光的特性进行傅立叶域或空域的分析，以实现对样品(11)表面特征的三维重构和偏振特性的表征。

4.根据权利要求1所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述起偏臂(4)包括准直透镜(5)和起偏单元(6)，所述准直透镜(5)布置于靠近所述光纤(3)出射光的一侧，用于接收所述光纤(3)发出的光源，并将该散射的光源转化为平行光；所述起偏单元(6)设于所述准直透镜(5)和所述第一反射镜(8)之间，用于将所述平行光转化为偏振态可知的入射偏振光；

所述检偏臂(14)包括转像透镜组和检偏单元(18)，所述转像透镜组设于靠近所述第二反射镜(13)的一侧，用于将经所述第二反射镜(13)反射的入射偏振光聚焦后转化为平行光，所述检偏单元(18)设于所述明场检测器(19)和所述转像透镜组之间，用于对转像透镜组产生的平行光进行偏振态的解调制。

5.根据权利要求4所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述起偏单元(6)包括两个偏振器和补偿器组；所述检偏单元(18)包括两个偏振器和补偿器组。

6.根据权利要求4所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述转像透镜组由两个共轭的第一转向透镜(15)和第二转向透镜(16)构成；

所述第一转向透镜(15)和第二转向透镜(16)的中间焦点处还设置有第二小孔光阑(17)，用于过滤部分散射光。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述椭偏仪还包括设于所述第一反射镜(8)与所述起偏臂(4)之间的第一小孔光阑(7)，所述第一小孔光阑(7)用于过滤部分经所述起偏臂(4)处理后的入射偏振光的散射光。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述第一反射镜(8)的下方设有第一旋转台，所述第二反射镜(13)下方设有第二旋转台，所述第一旋转台用于调整第一反射镜(8)的倾斜角度，使得所述第一反射镜(8)反射的入射偏振光经所述物镜(10)后投射到样品(11)表面的入射偏振光入射角为样品(11)的布鲁斯特角；所述第二旋转台用于调整所述第二反射镜(13)的倾斜角度，使得其与所述第一反射镜(8)关于所述物镜(10)呈对称布置。

9.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪，其特征在于，所述物镜(10)为数值孔径大于0.82的无限远光校正无应力平场半复消色差物镜或数值孔径大于0.82的无限远光校正无应力平场复消色差物镜；优选的，所述物镜(10)为数值孔径为0.95的无限远光校正无应力平场半复消色差物镜或数值孔径为0.95的无限远光校正无应力平场复消色差物镜；所述明场检测器(19)和所述暗场检测器(21)为CCD相机或者CMOS相机。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的基于大数值孔径物镜整合暗场观察的椭偏仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1打开光源(1)，调整单色仪(2)使其能发射指定波长的单色光，调至准直透镜(5)和起偏臂(4)，确保单色光在进入所述起偏臂(4)之前的平行度，再经过起偏臂(4)后产生偏振态可知的入射偏振光，调整第一反射镜(8)和第二反射镜(13)的倾斜角，确保入射偏振光经过镜筒透镜(9)和物镜(10)后以预定的入射角照射到样品(11)上；

S2调整样品(11)与所述物镜(10)之间的距离，使得在明场检测器(19)和暗场检测器(21)的观测区域能看到清晰的图像；

S3所述光源(1)经过单色仪(2)发射的单色光经光纤(3)照射到所述准直透镜(5)，该单色光在所述准直透镜(5)的作用下转化为平行光后传递至所述起偏臂(4)，所述起偏臂(4)用于将所述光纤(3)传递的光源转化为偏振态可知的入射偏振光，并将该入射偏振光通过所述第一反射镜(8)反射给所述镜筒透镜(9)，该入射偏振光经所述镜筒透镜(9)聚焦后通过所述物镜(10)照到样品(11)到上，所述物镜(10)用于增大聚焦后的入射偏振光照到样品(11)上入射角，入射偏振光经过样品(11)的反射进入明场光路模块，经所述样品(11)反射的入射偏振光经第二反射镜(13)反射后传递至所述检偏臂(14)，所述检偏臂(14)用于将所述第二反射镜(13)反射的入射偏振光转化为偏振态可知的反射偏振光，所述明场检测器(19)用于接收该反射偏振光对应的光强信号，所述暗场检测器(21)用于接收所述入射偏振光在经样品(11)反射后产生的部分散射光的光强信号；

S4改变所述起偏臂(4)和所述检偏臂(14)的偏振态，重复步骤S3，从而获取预设组的不同偏振态反射偏振光对应的光强信号，并对预设组的反射偏振光的光强信号进行分析，以实现整个视场区域内样品(11)的椭偏测量参数、厚度测量参数或者光学常数测量参数的测量；所述暗场检测器(21)接收不同偏振态的所述入射偏振光经样品(11)反射后产生的部分散射光的光强信号，以实现对样品的微小结构进行对比观察检测；

S5改变光源(1)和单色仪(2)发射的单色光的波长，重复步骤S1～S4，得到预设组的不同波长下的样品(11)的椭偏测量参数、厚度测量参数或者光学常数测量参数，然后以此计算获取样品(11)的椭偏参数、厚度或者光学常数；同时，所述暗场检测器(21)接收不同波长下的所述入射偏振光经样品(11)反射后产生的部分散射光的光强信号，并以此实现对样品(11)表面特征的三维重构和偏振特性的表征。

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