用于反射差分光谱测量的紧凑式全光谱光学测头装置

摘要

本发明公开了一种用于反射差分光谱测量的紧凑式全光谱光学测头装置，包括入射光纤、离轴抛物反射镜、起偏器、旋转补偿器、检偏器、第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和出射光纤；光源经入射光纤入射，经过离轴抛物反射镜变为平行或汇聚光束，该平行或汇聚光束经过起偏器变为线性偏振光后，再经过旋转补偿器进行信号调制，调制后的光照射到测试样品表面；经由测试样品反射的光经检偏器成为线性偏振光后，再依次经过第一凹面反射镜和第二凹面反射镜后，汇聚在出射光纤的入口；自所述离轴抛物反射镜至所述第一凹面反射镜之间形成的往返光束的中心线夹角小于4°。本发明体积小、重量轻、调节简便、性能可靠，可应用于超真空环境中的在线检测。

说明书

技术领域

本发明涉及精密测试技术领域和表面光学表征领域，特别是涉及一种利用反射差分光 谱技术的光学测量装置。

背景技术

反射差分光谱技术是一种对表面光学各向异性具有高灵敏度的光学测量技术，广泛应 用于监测超薄镀膜生长与制备、分析半导体表面纳米结构等科学研究与工业生产领域。这 项技术通过检测偏振光经过测试样品表面后偏振态的变化，来对物体表面或物质间界面的 物理属性进行分析，具有非接触、无损测量、对测量环境无特殊要求的特点。

传统的光学测头体积大，加之内部各种光学元件与马达器件，重量较沉。大体积的光 学测头不仅削弱了设备的移动性能也在一定程度上限制了设备在真空腔上进行在线测试 的应用。

早期紧凑式光学测头，使用凸透镜对输入光束进行会聚，由于输入光束具有宽光谱范 围，但凸透镜对不同波长光的折射率不一样，导致光束色散严重，无法在测试样品表面得 到小尺寸光斑。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种用于反射差分光谱测量的紧凑式全光谱光学测 头装置，该装置体积小、重量轻、调节简便、性能可靠，可应用于超真空环境中的在线检 测。

为了解决上述技术问题，本发明用于反射差分光谱测量的紧凑式全光谱光学测头装置 予以实现的技术方案是包括入射光纤、离轴抛物反射镜、起偏器、旋转补偿器、检偏器、 第一凹面反射镜、第二凹面反射镜和出射光纤；光源经入射光纤入射，经过离轴抛物反射 镜变为平行或汇聚光束，该平行或汇聚光束经过起偏器变为线性偏振光后，再经过旋转补 偿器进行信号调制，调制后的光照射到测试样品表面；经由测试样品反射的光经检偏器成 为线性偏振光后，再依次经过第一凹面反射镜和第二凹面反射镜后，汇聚在出射光纤的入 口；自所述离轴抛物反射镜至所述第一凹面反射镜之间形成的往返光束的中心线夹角小于 4°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明将反射差分光谱技术应用于超高真空环境在线应用，但由于因真空腔内空间有 限，光学测头需放置在真空腔外，而测试样品放置在真空腔内，所以测量条件受到诸多限 制。例如：

（1）光学测头到测试样品表面之间的工作距离需考虑真空腔的大小，确保测试样品 到观测窗的距离在工作距离的可调整范围内，通常设计为50cm±10cm。

（2）由于入射光与反射光存在一定的夹角，当测试样品距离观测窗较远时，往返光 束在观测窗上的距离也较大，观测窗的通光孔径尺寸有限，可能阻挡部分光束，因此光束 夹角应当尽可能地小。另一方面，夹角的变小将给测头内部器件的布局带来较大困难，因 为分布在往返光路上的光学元件及其机械支撑结构，特别是转台，均有一定的尺寸，造成 两光束无法无限接近。

（3）通常测试样品的直径不超过10mm，为避免测试样品外围结构对测量的影响（如 杂散反射光），光束会聚在测试样品表面的光斑直径应小于测试样品尺寸，根据实际需要， 光斑直径应在1-8mm范围可调。

（4）为获得测试样品宽光谱范围的光学属性，如250-800nm，系统采用高压氙灯作 为照明光源，同时用多模光纤将光源出射光传输到光学测头，以消除大功率氙灯发热对光 学测头的影响。光学测头需实现光束从光纤输出端，经过较长的传输距离（即光学测头自 身长度与工作距离之和），以较小的光斑照射在测试样品上。对超宽光谱的光束来说，光 学元件的色散特性、光谱范围和通光效率也十分重要，设计的结构应保证各波段，特别是 紫外波段（空气吸收损失较大），有较足够的光强传输到探测器中，最大可能地提高测量 信噪比。

（5）由于超高真空实验常配备多种制备用或检测用仪器，真空腔外围的空间也十分 有限，反射差分光谱仪的测头应尽可能地紧凑，避免因空间不足造成无法与其他设备联用。

综上，本发明基于离轴抛物反射镜的光学结构，在入射光纤输出端，离轴抛物反射镜 （OAP）作为光束转折和汇聚元件。与常用的凹面反射镜和平面反射镜组合结构相比，单 个离轴抛物镜大大简化了光路结构，有效缩减了光学结构的空间尺寸。同时，在线性检偏 器之后安排了两个凹面反射镜折返光束，最终将反射光束快速汇聚到出射光纤的入口端。 入射/出射光纤端口以及步进马达、连续马达、角度传感器的电气控制端口均布置在同一 侧，也有效压缩了光学测头的外围占有空间，并方便了设备的连接和安装。光学系统（离 轴抛物反射镜、第一凹面反射镜和第二凹面反射镜）均采用金属镀膜反射镜为光束调节元 件，在消除由透镜引起的色散问题的同时，金属镀膜有效增强紫外波段的反射率，促进了 整套系统光谱光强的平衡。

附图说明

附图是用于反射差分光谱测量的紧凑式全光谱光学测头装置的结构示意图；

图中：

1-入射光纤       2-离轴抛物反射镜   3-起偏器           4-第一步进电机

5-角度传感器     6-旋转补偿器       7-传动带           8-直流连续马达

9-测试样品       10-检偏器          11-第二步进电机    12-第一凹面反射镜

13-第二凹面反射镜                   14-出射光纤。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如附图所示，本发明一种用于反射差分光谱测量的紧凑式全光谱光学测头装置，包括 入射光纤1、离轴抛物反射镜2、起偏器3、旋转补偿器6、检偏器10、第一凹面反射镜 12、第二凹面反射镜13和出射光纤14。所述离轴抛物反射镜2的离轴角度是90度、60 度、45度和30度中的其中一个角度。所述起偏器3和检偏器10分别安装在各自的一旋转 平台上，每个旋转平台均分别与一个步进马达连接。所述旋转补偿器6包括安装在一旋转 台上的消色差波片，所述旋转台直流连续马达8、传动带7、角度传感器5和旋转支撑平 台构成。所述离轴抛物反射镜2为宽波段金属镀膜反射镜，所述第一凹面反射镜12和第 二凹面反射镜13均为凹面宽波段金属镀膜反射镜。

光源经入射光纤1入射，经过离轴抛物反射镜2变为平行或汇聚光束，该平行或汇聚 光束经过起偏器3变为线性偏振光后，再经过旋转补偿器6进行信号调制，调制后的光照 射到测试样品表面；经由测试样品反射的光经检偏器10成为线性偏振光后，再依次经过 第一凹面反射镜12和第二凹面反射镜13后，汇聚在出射光纤14的入口；自所述离轴抛 物反射镜2至所述第一凹面反射镜12之间形成的往返光束的中心线夹角小于4°。

本发明用于反射差分光谱测量的紧凑式全光谱光学测头装置，其光谱的传输范围为 250~1000nm，所述入射光纤1和所述出射光纤14采用纤芯直径为200-1000μm的多模光纤， 从光学测头前端面到测试样品表面的工作距离可以在100-1000mm范围内调节，测试样品 表面照射的光斑直径可以在1-8mm范围内调节，且光斑直径与入射光纤的纤芯直径有关。 测试样品表面照射的光斑直径为1-8mm。本发明的外形轮廓的几何尺寸为300mm长× 250mm宽×135mm高。本发明中，最好将入射光纤1和出射光纤14的端口，以及带动起 偏器3的第一步进马达4、带动检偏器10的第二步进马达、带动旋转补偿器6的直流连续 马达8、角度传感器等的电气控制端口均布置在光学测头的同一侧。

为了获得测试样品的宽光谱范围的光学属性，本发明全光谱光学测头装置的光源可以 采用高压氙灯，产生从250nm~1000nm的连续光谱。通过入射光纤1进入，入射光纤1的 出射光是发散的宽光谱光线，经过离轴抛物反射镜2的准直或汇聚后，变成一束方向性好、 无色散问题的光束。该光束经过起偏器3变成线性偏振光（第一步进电机4可以调整起偏 器3的主轴方位角）再经过补偿器6进行信号调制，直流步进马达8通过传动带7带动旋 转补偿器6进行转动，角度传感器5可以获得旋转补偿器6所在的角度，调制后的光从测 头前端面出射，并以接近垂直的角度（往返光束的中心线夹角小于4°）入射到测试样品 9的表面。经由测试样品9反射回的光再次进入光学测头，即经过检偏器10成为线性偏振 光（第二步进电机11可以调整检偏器4的主轴方位角），再经过第一凹面反射镜12与第 二凹面反射镜13折返、最终将光束快速汇聚到出射光纤14的入口，出射光纤14连接至 光谱仪上，从而获得测试样品宽光谱范围的光学属性。

本发明全光谱光学测头装置在每一次测试过程中，起偏器3与检偏器10首先分别由 第一步进电机4和第二步进电机11带动旋转至特定方位角后保持静止，旋转补偿器6在 直流连续马达8的带动下匀速转动，光谱仪对同一测试样品的反射光进行N次光强谱采集 （N不少于5次），与此同时，通过角度传感器5测量每次光谱积分的起始时刻和终止时刻 旋转补偿器6的主轴方位角。

本发明全光谱光学测头装置具有如下特点：

（1）利用离轴抛物反射镜作为光束准直/汇聚元件，缩小了光学结构的空间尺寸，同 时可方便调节光学测头的工作距离以及光斑直径。

（2）入射与出射光纤以及步进马达、连续马达、角度传感器的电气控制端口均布置在 光学测头的同一侧，有效压缩了该装置的外围占有空间，并方便了设备的安装与连接。

（3）光学系统采用金属镀膜反射镜作为光束调整元件，避免了由透镜引起的色散的问 题，同时还有效增强的紫外波段的反射率，由于紫外空气吸收损失较大，这就促进了整套 系统光谱光强的平衡。

（4）光学测头的几何尺寸为300mm（长）×250mm（宽）×135mm（高），较小的体 积方便了其与真空设备的配合。500mm的工作距离也方便了测头的探测光束经过真空设备 的观测窗照射在测试样品上。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明 的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保 护之内。