本发明专利技术涉及一种椭偏测量装置，包括入射臂、样品旋转平台、出射臂，所述入射臂包括光源、光束处理组件、起偏器和１／４波片，所述出射臂包括透镜空间滤波组件、检偏器和光电探测器。透镜空间滤波组件在样品旋转平台和检偏器之间，由小孔光栏、透镜和空间滤波器组成。经样品反射的散射光由透镜空间滤波组件选择出平行于出射光轴的平行光。所述光束处理组件由小孔光栏、偏振器和四分之一波片构成。入射臂的光轴和出射臂的光轴相交于样品旋转平台的转动轴，入射臂和出射臂所组成的入射面与样品旋转平台的转动轴垂直；入射臂、出射臂和样品旋转平台可绕该转动轴旋转；本发明专利技术可用于大粗糙度非光滑面和曲面样品的测量，有较高的精确度，应用前景广泛。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属光学精密测量领域，特别涉及一种椭偏测量装置。
技术介绍
椭圆偏振法是一种测量和研究材料表面及其膜层特性的先进方法，具有测量灵敏度和精度高、快速及非接触等优点，广泛应用于固体和液体表面光学参数的检测，特别适用于纳米级薄膜厚度、折射率及消光系数等参数的精密测量，也可用于镀膜过程和工艺的实时监控，在半导体器件、功能材料分析、化学反应过程观察和生物医学样品检测等领域有重要应用。目前，国内外有各种型号和功能的椭偏仪，用于测量光滑或微粗糙(粗糙度小于几十nm)表面及其薄膜的光学参数，但不适合于大起伏粗糙面(粗糙度大于1μm)、不规则表面或受损表面样品，如样品表面有划痕、磨损或霉变斑点等。这直接限制了椭偏技术的推广和应用。主要原因在于大起伏粗糙表面的强漫反射或不规则散射，使光斑的光强和光束偏振分布不均匀，而且到达探测器的光强很弱。随着纳米薄膜技术的迅速发展，已出现了在半导体材料、金属、玻璃和陶瓷等大起伏粗糙表面镀膜的研究和应用，这些材料表面不但粗糙度比较大，而且表面不平整，带有规则或不规则的曲面，如球面、抛物面或双曲面等。对大起伏粗糙表面及其薄膜特性的测量提出了迫切要求。然而，当前没有有效和实用的方法来测量大起伏粗糙表面及其薄膜的纳米级薄膜厚度、折射率、吸收系数与波长的关系等光学参数。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种带透镜空间滤波组件的椭偏测量装置，其不但具有常规椭偏仪的功能及测量光滑表面样品，而且适合于非光滑面或大起伏粗糙面(粗糙度大于1μm)的纳米级薄膜厚度、折射率等薄膜光学参数的测量和吸收系数与波长的关系等特性分析。本专利技术装置的基本设计思路和工作过程如下在传统椭偏测量系统中，位于样品与检偏器之间增加一套透镜空间滤波组件，使非光滑面或粗糙面反射的散射光经该组件后，选择出平行于出射光轴的平行光，它带有样品相应光滑表面的各种信息，对它偏振状态的探测、采集、处理和分析，可得到样品表面的许多光学特性和信息，如薄膜厚度、折射率和消光系数等。本专利技术装置适合于各向同性材料的光滑面或非光滑面及其薄膜的测量。图1是本专利技术装置光路原理图。入射平行光束经起偏器1和1/4波片2后入射非光滑面样品3的粗糙表面，经其反射的漫射光或散射光通过小孔光阑4限束后选出透镜5光轴附近的光束，在透镜5的后焦面上放置空间滤波器6，获取样品相应光滑面的平行于出射光轴的平行光，经检偏器7和聚光镜8后由光电探测器9接收和检测。可以证明，在一定的偏振转角测量精度下，光束在透镜光轴附近入射时，单透镜5引入的附加偏振角变化可以忽略。下面以消光椭偏测量过程为例，分析非光滑面椭偏测量原理。假设样品是各向同性的且进入小孔光阑4的光束偏振一致，为了推导方便，仅考虑在入射 面内通过小孔光阑4边缘的两条光线。它们到达探测器9的光强表达式分别为ID1＝c (1)ID2＝c (2)式中c为常数，An1、Pn1和An2、Pn2分别为两条光线中对应的起偏器和检偏器消光角，P和A分别为起偏器和检偏器的方位角，则探测器接收到的总光强为ID＝ID1+ID2＝c′令An1+An2＝2α、Pn1+Pn2＝2β，并考虑Pn1≈Pn2，An1≈An2，则(3)式可以进一步化简为ID＝c′ (4)分析(4)式可知，探测器得到粗糙面漫反射偏振光强的变化规律与光滑面是一样的，即消光角α和β是粗糙样品表面的相应光滑面反射偏振光的起偏器和检偏器的消光角。这说明非光滑面漫反射光经过透镜空间滤波系统后，透镜光轴附近的光束带有相应光滑面的信息。因此，传统的偏振测量方法和原理，如消光法和光度法等，可用于获取大起伏粗糙表面的椭偏参数(、Δ)。依据光滑面及其表面薄膜的各种模型，如单层透明膜、双层透明膜和单层吸收膜等模型。分析和反演就能求得大起伏粗糙表面的光学参数。要注意的是，求得的光学参数具有统计平均的意义，如薄膜厚度是指平均厚度。实现本专利技术的技术方案如下如图2所示，一种椭偏测量装置，包括入射臂、样品旋转平台12、出射臂，所述入射臂包括光源10、起偏器1、1/4波片2，所述出射臂包括检偏器7、光电探测器9，入射臂的光轴和出射臂的光轴相交于样品旋转平台12的转动轴，入射臂和出射臂所组成的入射面与样品旋转平台12的转动轴垂直；入射臂、出射臂和样品旋转平台12可绕该转动轴旋转，以改变在样品旋转平台12上的样品3的入射角；所述出射臂还包括透镜空间滤波组件13，透镜空间滤波组件13在样品旋转平台12和检偏器7之间，经样品反射的散射光由透镜空间滤波组件13选择出平行于出射光轴的平行光，透镜空间滤波组件(13)包括小孔光阑(4)、透镜(5)和空间滤波器(6)，并依次按透镜(5)光轴共轴放置，小孔光阑(4)在靠近样品旋转平台(12)一侧，透镜(5)靠近光阑(4)放置，透镜(5)与样品(3)之间距离约等于透镜(5)的焦距，空间滤波器(6)位于透镜(5)后焦平面上。。为了使光电探测器9更好地探测，在检偏器7和光电探测器9之间放置一个聚光透镜8。为了改善单色光光斑及偏振状态，提高光束质量，并可调节出射光强度，以适应不同程度的粗糙面样品，入射臂还包括光束处理组件11，光束处理组件11位于光源10与起偏器1之间，由偏振片或偏振器111、1/4波片112和小孔光阑113组成，偏振片或偏振器111靠近光源，1/4波片112在偏振片或偏振器111和小孔光阑113中间。1/4波片的快轴与偏振器偏振方向成45°或135°夹角。三者调节后固定形成一个整体。对于线偏振的入射光，以其光轴为中心轴旋转光束处理组件11，可很方便调节出射光强度。为了适应不同大小及形状的大起伏粗糙面样品的测量，样品旋转平台12带有样品夹持装置，样品夹持装置具有三维微调机构，以保证漫反射光按规定的入射角进入小孔光阑4。为了精密、快速地测量，本专利技术装置还包括信号处理、控制及计算机系统14，该系统14与样品旋转平台12、起偏器1、检偏器7和光电探测器9电连接，可控制、采集起偏器1、检偏器7的角度值，可采集入射到光电探测器9的光强，可控制入射臂、出射臂和样品旋转平台12的旋转。本专利技术装置与现有技术相比具有如下特点或效果(1)与普通椭偏仪的功能基本相同，可测量光滑面的样品；(2)由于采用透镜空间滤波组件，可用于非光滑面和曲面样品的测量；包括球面、椭球面和抛物面等非平面及大起伏(粗糙度大于1um)粗糙表面样品；(3)解决了大起伏粗糙表面薄膜的平均厚度和折射率测量问题；(4)适合于测量大起伏粗糙表面多层膜的厚度和折射率等光学参数；(5)发展了一种测量和研究大起伏粗糙表面偏振状态的技术和方法；(6)拓展了椭偏测量技术的应用范围。对玻璃、陶瓷、钢块、硅片及煤块等粗糙表面的薄膜样品测量实验表明本专利技术装置有较高的精确度，应用前景广泛。附图说明图1是本专利技术装置光路原理图；图2是本专利技术装置的一种典型结构示意图，图中1为起偏器，2为1/4波片，3为非光滑面样品，4为小孔光阑，5为透镜，6为空间滤波器，7为检偏器，8为聚光透镜，9为光电探测器，10为光源，12为样品旋转平台，13为透镜空间滤波组件，14为信号处理、控制及计算机系统。图3是本专利技术装置的另一种典型结构示意图，11为光束处理组件，111为偏振片或偏振器，112为1/4波片，在偏振片或偏振器111本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种椭偏测量装置，包括入射臂、样品旋转平台（１２）、出射臂，所述入射臂包括光源（１０）、起偏器（１）、１／４波片（２），所述出射臂包括检偏器（７）、光电探测器（９），入射臂的光轴和出射臂的光轴相交于样品旋转平台（１２）的转动轴，入射臂和出射臂所组成的入射面与样品旋转平台（１２）的转动轴垂直；入射臂、出射臂和样品旋转平台（１２）可绕该转动轴旋转，以改变在样品旋转平台（１２）上的样品（３）的入射角；其特征在于：所述出射臂还包括透镜空间滤波组件（１３），透镜空间滤波组件（１３）在样品旋转平台（１２）和检偏器（７）之间，经样品（３）反射的散射光由透镜空间滤波组件（１３）选择出平行于出射光轴的平行光，所述透镜空间滤波组件（１３）包括小孔光阑（４）、透镜（５）和空间滤波器（６），并依次按透镜（５）光轴共轴放置，小孔光阑（４）在靠近样品旋转平台（１２）一侧，透镜（５）靠近光阑（４）放置，透镜（５）与样品（３）之间距离约等于透镜（５）的焦距，空间滤波器（６）位于透镜（５）后焦平面上。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄佐华，王礼娟，杨怀，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]
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