專利名稱：用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及精密測試技術(shù)領(lǐng)域和表面光學(xué)表征領(lǐng)域，特別是涉及一種利用反射差分光譜技術(shù)的光學(xué)測量裝置。
背景技術(shù)：
反射差分光譜技術(shù)是一種對表面光學(xué)各向異性具有高靈敏度的光學(xué)測量技術(shù)，廣泛應(yīng)用于監(jiān)測超薄鍍膜生長與制備、分析半導(dǎo)體表面納米結(jié)構(gòu)等科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。這項技術(shù)通過檢測偏振光經(jīng)過測試樣品表面后偏振態(tài)的變化，來對物體表面或物質(zhì)間界面的物理屬性進(jìn)行分析，具有非接觸、無損測量、對測量環(huán)境無特殊要求的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的光學(xué)測頭體積大，加之內(nèi)部各種光學(xué)元件與馬達(dá)器件，重量較沉。大體積的光學(xué)測頭不僅削弱了設(shè)備的移動性能也在一定程度上限制了設(shè)備在真空腔上進(jìn)行在線測試的應(yīng)用。早期緊湊式光學(xué)測頭，使用凸透鏡對輸入光束進(jìn)行會聚，由于輸入光束具有寬光譜范圍，但凸透鏡對不同波長光的折射率不一樣，導(dǎo)致光束色散嚴(yán)重，無法在測試樣品表面得到小尺寸光斑。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供了一種用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置，該裝置體積小、重量輕、調(diào)節(jié)簡便、性能可靠，可應(yīng)用于超真空環(huán)境中的在線檢測。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置予以實現(xiàn)的技術(shù)方案是包括入射光纖、離軸拋物反射鏡、起偏器、旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器、檢偏器、第一凹面反射鏡、第二凹面反射鏡和出射光纖；光源經(jīng)入射光纖入射，經(jīng)過離軸拋物反射鏡變?yōu)槠叫谢騾R聚光束，該平行或匯聚光束經(jīng)過起偏器變?yōu)榫€性偏振光后，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器進(jìn)行信號調(diào)制，調(diào)制后的光照射到測試樣品表面；經(jīng)由測試樣品反射的光經(jīng)檢偏器成為線性偏振光后，再依次經(jīng)過第一凹面反射鏡和第二凹面反射鏡后，匯聚在出射光纖的入口 ；自所述離軸拋物反射鏡至所述第一凹面反射鏡之間形成的往返光束的中心線夾角小于4° ο與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明將反射差分光譜技術(shù)應(yīng)用于超高真空環(huán)境在線應(yīng)用，但由于因真空腔內(nèi)空間有限，光學(xué)測頭需放置在真空腔外，而測試樣品放置在真空腔內(nèi)，所以測量條件受到諸多限制。例如:(I)光學(xué)測頭到測試樣品表面之間的工作距離需考慮真空腔的大小，確保測試樣品到觀測窗的距離在工作距離的可調(diào)整范圍內(nèi)，通常設(shè)計為50cm土 10cm。(2)由于入射光與反射光存在一定的夾角，當(dāng)測試樣品距離觀測窗較遠(yuǎn)時，往返光束在觀測窗上的距離也較大，觀測窗的通光孔徑尺寸有限，可能阻擋部分光束，因此光束夾角應(yīng)當(dāng)盡可能地小。另一方面，夾角的變小將給測頭內(nèi)部器件的布局帶來較大困難，因為分布在往返光路上的光學(xué)元件及其機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)，特別是轉(zhuǎn)臺，均有一定的尺寸，造成兩光束無法無限接近。(3)通常測試樣品的直徑不超過10mm，為避免測試樣品外圍結(jié)構(gòu)對測量的影響(如雜散反射光)，光束會聚在測試樣品表面的光斑直徑應(yīng)小于測試樣品尺寸，根據(jù)實際需要，光斑直徑應(yīng)在1_8_范圍可調(diào)。(4)為獲得測試樣品寬光譜范圍的光學(xué)屬性，如250_800nm，系統(tǒng)采用高壓氙燈作為照明光源，同時用多模光纖將光源出射光傳輸?shù)焦鈱W(xué)測頭，以消除大功率氙燈發(fā)熱對光學(xué)測頭的影響。光學(xué)測頭需實現(xiàn)光束從光纖輸出端，經(jīng)過較長的傳輸距離(即光學(xué)測頭自身長度與工作距離之和)，以較小的光斑照射在測試樣品上。對超寬光譜的光束來說，光學(xué)元件的色散特性、光譜范圍和通光效率也十分重要，設(shè)計的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證各波段，特別是紫外波段(空氣吸收損失較大)，有較足夠的光強(qiáng)傳輸?shù)教綔y器中，最大可能地提高測量信噪比。(5)由于超高真空實驗常配備多種制備用或檢測用儀器，真空腔外圍的空間也十分有限，反射差分光譜儀的測頭應(yīng)盡可能地緊湊，避免因空間不足造成無法與其他設(shè)備聯(lián)用。綜上，本發(fā)明基于離軸拋物反射鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)，在入射光纖輸出端，離軸拋物反射鏡(OAP)作為光束轉(zhuǎn)折和匯聚元件。與常用的凹面反射鏡和平面反射鏡組合結(jié)構(gòu)相比，單個離軸拋物鏡大大簡化了光路結(jié)構(gòu)，有效縮減了光學(xué)結(jié)構(gòu)的空間尺寸。同時，在線性檢偏器之后安排了兩個凹面反射鏡折返光束，最終將反射光束快速匯聚到出射光纖的入口端。入射/出射光纖端口以及步進(jìn)馬達(dá)、連續(xù)馬達(dá)、角度傳感器的電氣控制端口均布置在同一側(cè)，也有效壓縮了光學(xué)測頭的外圍占有空間，并方便了設(shè)備的連接和安裝。光學(xué)系統(tǒng)(離軸拋物反射鏡、第一凹面反射鏡和第二凹面反射鏡)均采用金屬鍍膜反射鏡為光束調(diào)節(jié)元件，在消除由透鏡引起的色散問題的同時，金屬鍍膜有效增強(qiáng)紫外波段的反射率，促進(jìn)了整套系統(tǒng)光譜光強(qiáng)的平衡。


附圖是用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中: 1-入射光纖 2-離軸拋物反射鏡 3-起偏器4-第一步進(jìn)電機(jī)5-角度傳感器 6-旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器7-傳動帶8-直流連續(xù)馬達(dá)9-測試樣品 10-檢偏器11-第二步進(jìn)電機(jī)12-第一凹面反射鏡13-第二凹面反射鏡14-出射光纖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如附圖所示，本發(fā)明一種用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置，包括入射光纖1、離軸拋物反射鏡2、起偏器3、旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器6、檢偏器10、第一凹面反射鏡
12、第二凹面反射鏡13和出射光纖14。所述離軸拋物反射鏡2的離軸角度是90度、60度、45度和30度中的其中一個角度。所述起偏器3和檢偏器10分別安裝在各自的一旋轉(zhuǎn)平臺上，每個旋轉(zhuǎn)平臺均分別與一個步進(jìn)馬達(dá)連接。所述旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器6包括安裝在一旋轉(zhuǎn)臺上的消色差波片，所述旋轉(zhuǎn)臺直流連續(xù)馬達(dá)8、傳動帶7、角度傳感器5和旋轉(zhuǎn)支撐平臺構(gòu)成。所述離軸拋物反射鏡2為寬波段金屬鍍膜反射鏡，所述第一凹面反射鏡12和第二凹面反射鏡13均為凹面寬波段金屬鍍膜反射鏡。光源經(jīng)入射光纖I入射，經(jīng)過離軸拋物反射鏡2變?yōu)槠叫谢騾R聚光束，該平行或匯聚光束經(jīng)過起偏器3變?yōu)榫€性偏振光后，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器6進(jìn)行信號調(diào)制，調(diào)制后的光照射到測試樣品表面；經(jīng)由測試樣品反射的光經(jīng)檢偏器10成為線性偏振光后，再依次經(jīng)過第一凹面反射鏡12和第二凹面反射鏡13后，匯聚在出射光纖14的入口 ；自所述離軸拋物反射鏡2至所述第一凹面反射鏡12之間形成的往返光束的中心線夾角小于4°。本發(fā)明用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置，其光譜的傳輸范圍為25(Tl000nm，所述入射光纖I和所述出射光纖14采用纖芯直徑為200-1000 μ m的多模光纖，從光學(xué)測頭前端面到測試樣品表面的工作距離可以在IOO-1OOOmm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，測試樣品表面照射的光斑直徑可以在1-8_范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且光斑直徑與入射光纖的纖芯直徑有關(guān)。測試樣品表面照射的光斑直徑為l-8mm。本發(fā)明的外形輪廓的幾何尺寸為300mm長X 250mm寬X 135mm高。本發(fā)明中，最好將入射光纖I和出射光纖14的端口，以及帶動起偏器3的第一步進(jìn)馬達(dá)4、帶動檢偏器10的第二步進(jìn)馬達(dá)、帶動旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器6的直流連續(xù)馬達(dá)8、角度傳感器等的電氣控制端口均布置在光學(xué)測頭的同一側(cè)。為了獲得測試樣品的寬光譜范圍的光學(xué)屬性，本發(fā)明全光譜光學(xué)測頭裝置的光源可以采用高壓氙燈，產(chǎn)生從250nnTl000nm的連續(xù)光譜。通過入射光纖I進(jìn)入，入射光纖I的出射光是發(fā)散的寬光譜光線，經(jīng)過離軸拋物反射鏡2的準(zhǔn)直或匯聚后，變成一束方向性好、無色散問題的光束。該光束經(jīng)過起偏器3變成線性偏振光(第一步進(jìn)電機(jī)4可以調(diào)整起偏器3的主軸方位角)再經(jīng)過補(bǔ)償器6進(jìn)行信號調(diào)制，直流步進(jìn)馬達(dá)8通過傳動帶7帶動旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器6進(jìn)行轉(zhuǎn)動，角度傳感器5可以獲得旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器6所在的角度，調(diào)制后的光從測頭前端面出射,并以接近垂直的角度(往返光束的中心線夾角小于4° )入射到測試樣品9的表面。經(jīng)由測試樣品9反射回的光再次進(jìn)入光學(xué)測頭，即經(jīng)過檢偏器10成為線性偏振光(第二步進(jìn)電機(jī)11可以調(diào)整檢偏器4的主軸方位角)，再經(jīng)過第一凹面反射鏡12與第二凹面反射鏡13折返、最終將光束快速匯聚到出射光纖14的入口，出射光纖14連接至光譜儀上，從而獲得測試樣品寬光譜范圍的光學(xué)屬性。本發(fā)明全光譜光學(xué)測頭裝置在每一次測試過程中，起偏器3與檢偏器10首先分別由第一步進(jìn)電機(jī)4和第二步進(jìn)電機(jī)11帶動旋轉(zhuǎn)至特定方位角后保持靜止，旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器6在直流連續(xù)馬達(dá)8的帶動下勻速轉(zhuǎn)動，光譜儀對同一測試樣品的反射光進(jìn)行N次光強(qiáng)譜采集(N不少于5次)，與此同時，通過角度傳感器5測量每次光譜積分的起始時刻和終止時刻旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器6的主軸方位角。本發(fā)明全光譜光學(xué)測頭裝置具有如下特點(diǎn):(I)利用離軸拋物反射鏡作為光束準(zhǔn)直/匯聚元件，縮小了光學(xué)結(jié)構(gòu)的空間尺寸，同時可方便調(diào)節(jié)光學(xué)測頭的工作距離以及光斑直徑。(2)入射與出射光纖以及步進(jìn)馬達(dá)、連續(xù)馬達(dá)、角度傳感器的電氣控制端口均布置在光學(xué)測頭的同一側(cè)，有效壓縮了該裝置的外圍占有空間，并方便了設(shè)備的安裝與連接。(3)光學(xué)系統(tǒng)采用金屬鍍膜反射鏡作為光束調(diào)整元件，避免了由透鏡引起的色散的問題，同時還有效增強(qiáng)的紫外波段的反射率，由于紫外空氣吸收損失較大，這就促進(jìn)了整套系統(tǒng)光譜光強(qiáng)的平衡。(4)光學(xué)測頭的幾何尺寸為300mm (長)X250mm (寬)X 135mm (高)，較小的體積
方便了其與真空設(shè)備的配合。500_的工作距離也方便了測頭的探測光束經(jīng)過真空設(shè)備的觀測窗照射在測試樣品上。盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置，其特征在于，包括入射光纖(I)、離軸拋物反射鏡(2)、起偏器(3)、旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器(6)、檢偏器(10)、第一凹面反射鏡(12)、第二凹面反射鏡(13)和出射光纖(14);光源經(jīng)入射光纖(I)入射，經(jīng)過離軸拋物反射鏡(2)變?yōu)槠叫谢騾R聚光束，該平行或匯聚光束經(jīng)過起偏器(3)變?yōu)榫€性偏振光后，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器(6)進(jìn)行信號調(diào)制，調(diào)制后的光照射到測試樣品表面；經(jīng)由測試樣品反射的光經(jīng)檢偏器(10)成為線性偏振光后，再依次經(jīng)過第一凹面反射鏡(12)和第二凹面反射鏡(13)后，匯聚在出射光纖(14)的入口；自所述離軸拋物反射鏡(2)至所述第一凹面反射鏡(12)之間形成的往返光束的中心線夾角小于4°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置，其特征在于，所述起偏器(3)和檢偏器(10)分別安裝在各自的一旋轉(zhuǎn)平臺上，每個旋轉(zhuǎn)平臺均分別與一個步進(jìn)馬達(dá)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器(6)包括安裝在一旋轉(zhuǎn)臺上的消色差波片，所述旋轉(zhuǎn)臺直流連續(xù)馬達(dá)(8)、傳動帶(7)、角度傳感器(5)和旋轉(zhuǎn)支撐平臺構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置，其特征在于，所述離軸拋物反射鏡(2)的離軸角度是90度、60度、45度和30度中的其中一個角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置，其特征在于，所述離軸拋物反射鏡(2)為寬波段金屬鍍膜反射鏡，所述第一凹面反射鏡(12)和第二凹面反射鏡(13)均為凹面寬波段金屬鍍膜反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置，其特征在于，其光譜的傳輸范圍為25(Tl000nm，工作距離為lOO-lOOOmm，所述入射光纖(I)和所述出射光纖(14)米用纖芯直徑為200-1000 μ m的多模光纖,測試樣品表面照射的光斑直徑為1-8mmη
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置，其特征在于，其外形輪廓的幾何尺寸為300mm長X 250mm寬X 135mm高。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學(xué)測頭裝置，包括入射光纖、離軸拋物反射鏡、起偏器、旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器、檢偏器、第一凹面反射鏡、第二凹面反射鏡和出射光纖；光源經(jīng)入射光纖入射，經(jīng)過離軸拋物反射鏡變?yōu)槠叫谢騾R聚光束，該平行或匯聚光束經(jīng)過起偏器變?yōu)榫€性偏振光后，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器進(jìn)行信號調(diào)制，調(diào)制后的光照射到測試樣品表面；經(jīng)由測試樣品反射的光經(jīng)檢偏器成為線性偏振光后，再依次經(jīng)過第一凹面反射鏡和第二凹面反射鏡后，匯聚在出射光纖的入口；自所述離軸拋物反射鏡至所述第一凹面反射鏡之間形成的往返光束的中心線夾角小于4°。本發(fā)明體積小、重量輕、調(diào)節(jié)簡便、性能可靠，可應(yīng)用于超真空環(huán)境中的在線檢測。
文檔編號G01J3/02GK103090972SQ20131001257
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者胡春光, 徐臻圓, 張一帆, 謝鵬飛, 傅星, 胡小唐 申請人:天津大學(xué)