一种用于广义椭偏仪的光强自动调整装置及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种广义椭偏仪光强自动调整装置及其控制方法。装置主要包括计算机、光谱仪、伺服电机控制器、直流伺服电机、增量式编码器和中性密度滤光片转盘。在广义椭偏仪硬件连接完成的情况下，根据光谱仪采集的光谱曲线是否饱和以及是否绝大部分在光谱仪线性响应区间来决定是否要转动直流伺服电机，从而带动中性密度滤波片转盘转动以切换中性密度滤波片来改变光源照射出来的光强大小。本发明可以实现对双旋转补偿器广义椭偏仪光强自动调整，且响应快速，操作简单。
【专利说明】—种用于广义椭偏仪的光强自动调整装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于广义椭偏仪的光路调试领域，具体涉及一种用于双旋转补偿器广义椭偏仪光强自动调整装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002]在基于光学原理的半导体纳米结构特征尺寸测量领域中，椭偏仪是一种最为常见的特征尺寸测量设备。它是一种利用光的偏振特性获取待测样品信息的通用光学测量仪器。其基本原理是通过起偏器将特殊的椭圆偏振光投射到待测样品表面，通过测量待测样品的反射光(或透射光)，以获得偏振光在反射(或透射)前后的偏振状态变化(包括振幅比和相位差)，进而从中提取出待测样品的信息。美国宾夕法尼亚州立大学的柯林斯等人(R.W.Collins et al., J.0pt.Soc.Am.A, Vol.16, pp.1997-2006, 1999)提出了双旋转补偿器型广义椭偏仪测量方法，此种椭偏仪结构中采用两个旋转的补偿器来实现偏振光的相位的调制和解调。在实际测量过程中，它可测量光谱范围广，对环境温度稳定性要求低，且测量速度快。同时它可以在一次测量中获得待测样件的归一化的4X4阶穆勒矩阵共15个参数，而不需要改变测量系统配置。因而在半导体纳米结构特征尺寸测量中有着广泛的应用。
[0003]在双旋转补偿器型广义椭偏仪系统中，光谱仪是用来测量分析测量样品表面反射光束的光学器件。光谱仪中光电探测器的转换原理是:先由光敏单元将光子转化为电荷，再将电荷转换为电压输出，输出电压大小即对应于测量光强大小(光谱仪中通常以counts计数)。光谱仪配套软件可显示以波长为横坐标、以接收到的光强为纵坐标的动态二维图，可以发现不同的波长点处的光强是不一样的。在有些条件下，如广义椭偏仪要应用在测量低反射率样品的表面，所以需要采用光强较大的光源，一个或者连续多个波长点处的光强可能会超过一个最大值而造成光谱仪上光电探测器的饱和，这会对数据的观测和采集带来不利的影响。因此必须采取一定的方式以根据需要弱化全波段(即波长范围200-1200nm)波长的光强。目前广泛采用的方法是用一个光阑来减弱光强。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种用于双旋转补偿器广义椭偏仪的光强自动调整装置及其控制方法，本发明可以实现对全波段波长的光强弱化至满足要求的数值，且响应快速，操作简单。
[0005]本发明提供的一种用于广义椭偏仪的光强自动调整装置，其特征在于，该装置包括计算机、光谱仪、伺服电机控制器、增量式编码器、直流伺服电机和中性密度滤光片转盘；
[0006]增量式编码器设置在直流伺服电机内；中性密度滤光片转盘包括一个通光孔和多片透光率不同的中性密度滤光片；中性密度滤光片转盘可转动安装在直流伺服电机端面上；直流伺服电机通过伺服电机控制器与计算机相连；增量式编码器与伺服电机控制器相连；光谱仪通过USB端口与计算机相连接；
[0007]计算机用于控制光谱仪的工作，通过伺服电机控制器控制直流伺服电机的运动；根据光谱仪采集到的光谱曲线是否饱和以及光谱曲线是否在光谱仪线性响应区间来决定是否要转动直流伺服电机，从而带动所述中性密度滤波片转盘转动以切换中性密度滤波片以改变光源照射出来的光强大小。
[0008]本发明提供的上述光强自动调整装置的控制方法，包括下述步骤:
[0009]第I步计算机上通过伺服电机控制器驱动直流伺服电机回逻辑零位，直流伺服电机的逻辑零位设置为使光源光束正好从中性密度滤光片转盘的通光孔中透过；
[0010]第2步利用光谱仪按照设置的参数进行光谱数据采集，得到光谱曲线，由光谱仪返回给计算机；
[0011]第3步计算机判断光谱曲线是否饱和；若光谱曲线不饱和，转入第5步；若光谱曲线饱和，则进入第4步；
[0012]第4步计算机通过伺服电机控制器驱动直流伺服电机转动到下一中性密度滤光片处，即使光源光束通过该中性密度滤光片以减弱光强，之后转入第2步；
[0013]第5步判断光谱曲线是否大部分在线性响应区间，如果是，进入第6步，否则，转入第4步；
[0014]第6步不需要通过中性密度滤光片减弱光强，结束调整。
[0015]同现有的广义椭偏仪光强自动调整的装置相比，本发明提供的光强自动调整装置以对直流伺服电机的自动控制为核心，通过对光谱仪采集数据的分析决定是否要将直流伺服电机转动相应角度以实现中性密度滤光片的切换，可以实现使光谱仪表面接收到的光强大小最为合理，即不会过饱和也不会由于光强过小而无法分析，同时较好满足光谱仪的线性响应。
[0016]本光强自动调整装置自动响应过程速度快、精度高，同时表现出优异的测量重复性和稳定性，且整体结构紧凑，操作方法简单，实现方便，在广义椭偏仪自动控制及测量领域有广泛应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是光学测量仪器光强自动调整系统结构示意图；
[0018]图2是中性密度滤光片转盘结构示意图；
[0019]图3是双旋转补偿器型广义椭偏仪硬件连接结构示意图；
[0020]图4是本发明提供的控制方法流程示意图；
[0021]图5是光谱仪采集分析之后得到的一条未饱和光谱曲线；
[0022]图6是光谱仪采集分析之后得到的一条饱和光谱曲线；
[0023]图7是一条大部分在线性响应区间的光谱曲线。
【具体实施方式】
[0024]虽然目前可以采用一个光阑来减弱光源光强，但是一般情况下光阑减弱光强的作用只针对于一个比较小的波长区间，如单独的紫外波段、可见波段或是红外波段，而对于广义椭偏仪所要求的全波段往往不能达到要求；而且绝大多数情况下光阑是用手动来控制的，控制精度不是很高，也不灵活。利用有不同透过率的中性密度滤光片，再配以自动控制的装置，就能够很好地满足要求。
[0025]一般不可调中性密度滤光片分为吸收型和反射型(或者金属型)，可以用来衰减激光和其他光信号。吸收型滤光片可以减小后向反射，通过在滤光片表面镀增透膜可以进一步减小反射损失。标准吸收型中性密度滤光片的光学密度在0.1至0.6之间，而镀有增透膜型号的光学密度为0.3、1.0和两种膜层范围之一的为2.0。反射型滤光片基底采用BK7或者UV熔融石英。紫外级熔融石英最适合用于紫外光谱范围。光学密度OD和透射率T之间的转换关系如式(I)所示。
[0026]OD = 1g10 (1/T)或 T = 1(T0D (I)
[0027]一般光谱仪对于接收到的光强的响应范围是O?65535counts，如实例中所用的Ocean Optics公司的QE65Pro光谱仪，而一般现有的对于光强的调整只是使光强大小处于O?65535counts这个区间。但是，这却忽略了光谱仪中光电探测器的线性响应的问题，即探测器将光子转换成光强(counts)的线性。因为绝大多数光谱仪的光电探测器并不是整个响应区间都是非常线性的，满足要求的只是中间一部分，如QE65Pro光谱仪线性响应较好的区间为5000?40000cOunts，所以我们在自动调整光强大小时应尽量使光强大小落在这个区间，而不是一般所认为的O?65535counts。
[0028]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。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。
[0029]如图1所示，本发明实例提供的光强自动调整装置中至少包括计算机1、光谱仪2、伺服电机控制器3、增量式编码器4、直流伺服电机5和中性密度滤光片转盘6。
[0030]增量式编码器4设置在直流伺服电机5内；如图2所示，中性密度滤光片转盘6包括一个通光孔7和三片透光率不同的中性密度滤光片，即透光率为80%的中性密度滤光片8、透光率为50%的中性密度滤光片9和透光率为30%的中性密度滤光片10 (此处为了方便说明，只采用三片中性密度滤光片，在中性密度滤光片转盘6上安装任意多片中性密度滤光片也在本发明保护范围之内)。
[0031]中性密度滤光片转盘6安装在直流伺服电机5端面上；直流伺服电机5通过伺服电机控制器3与计算机I相连；增量式编码器4与伺服电机控制器3相连；光谱仪2通过USB端口与计算机I相连接。
[0032]计算机I用于控制光谱仪2的工作，通过伺服电机控制器3控制直流伺服电机5的运动；根据光谱仪2采集到的光谱曲线是否饱和以及光谱曲线是否在光谱仪线性响应区间来决定是否要转动直流伺服电机5，从而带动中性密度滤波片转盘6转动以切换中性密度滤波片来改变光源照射出来的光强大小。
[0033]下面举例具体说明计算机I的功能模块构成。
[0034]计算机I内设置有直流伺服电机控制模块和光谱仪控制模块；其中，直流伺服电机控制模块主要完成直流伺服电机5运动参数的设置以及直流伺服电机5相应运行动作的控制，同时可以接收来自伺服电机控制器3的返回信息；光谱仪控制模块主要用于在直流伺服电机5运行到特定位置后对光谱仪2参数的设置以及光谱仪2基本行为的控制，同时接收并储存光谱仪2所采集的光谱数据。
[0035]计算机中各模块的工作过程如下:
[0036](I)直流伺服电机控制模块完成直流伺服电机5运动参数的设置，并通过伺服电机控制器3操作直流伺服电机5回到零位(光源光束正好从通光孔7中透过，即光束不经过中性密度滤光片8、9或10)。
[0037](2)通过光谱仪控制模块完成对光谱仪2的系统参数的配置。
[0038](3)分别通过直流伺服电机控制模块和光谱仪控制模块停止直流伺服电机5和光谱仪2。
[0039]本发明装置的详细操作过程如下:
[0040]第一步，完成双旋转补偿器型广义椭偏仪光强自动调整装置的硬件设备的连接。
[0041](1.1)完成计算机I与光谱仪2、伺服电机控制器3的正常连接，其中光谱仪2与计算机I通过标准USB数据线连接；直流伺服电机5与伺服电机控制器3连接后，伺服电机控制器3也通过标准网络数据线与计算机I连接。
[0042](1.2)在完成(1.1)后双旋转补偿器型广义椭偏仪光强自动调整装置硬件设备连接已经完成。然后需要将中性密度滤光片转盘6安装到直流伺服电机5上。
[0043](1.3)连接完成后的硬件整体结构图如图3所示。其中，增量编码器4由于是设置在直流伺服电机5的内部，在图上未标注出；光源11、光谱仪起偏臂12以及检偏臂13的连接属于椭偏仪结构的基本连接，在此不做详细说明。
[0044]第二步，使用已连接好的双旋转补偿器型广义椭偏仪光强自动调整装置开始一次光谱数据采集工作，并根据采集到的光谱数据进行直流伺服电机5的调整。计算机的控制操作流程如图4所示。
[0045](2.1)在计算机I上通过伺服电机控制器3配置直流伺服电机5的相关参数，包括直流伺服电机5的转动速度、加速度、减速度，每次转动的角度(90° );在计算机I上配置光谱仪2的相关参数，包括光谱仪积分时间和采样点数。
[0046](2.2)计算机I上通过伺服电机控制器3驱动直流伺服电机5回逻辑零位，由增量式编码器4返回直流伺服电机5的位置信息。直流伺服电机5的逻辑零位设置为使光源光束正好从中性密度滤光片转盘6的通光孔7中透过，即光束不经过中性密度滤光片8、9和10。
[0047](2.3)打开光谱仪2，按照之前设置好的参数进行光谱数据的采集得到光谱曲线，由光谱仪2返回给计算机I并记录。
[0048](2.4)判断光谱曲线是否饱和，若光谱曲线不饱和(一条不饱和的光谱曲线如图5所示)，进入步骤(2.5)，否则转入步骤(2.6)；
[0049](2.5)在光谱曲线不饱和之后，进行判断光谱曲线是否大部分在线性响应区间，如果是，转入步骤(2.7)，否则，进入步骤(2.6)；
[0050]具体反复调节的操作同上判断是否饱和的过程。一条大部分在线性响应区间的光谱曲线如图7所示。
[0051]本发明实例采用下述标准判断光谱曲线是否大部分在线性响应区间，即最低光强在5000counts以上，80%的光谱曲线尖峰不超过40000counts。
[0052](2.6)若光谱曲线饱和(一条饱和的光谱曲线如图6所示，一般光谱仪的饱和计数为65535左右，即光强超过这个值就会饱和)，则证明光源的光强在到达光谱仪2上时超过了它的测量阈值，所以计算机需要通过伺服电机控制器3驱动直流伺服电机5转动，光源光束需要通过中性密度滤光片8、9或10来减弱光强。具体操作为由计算机I伺服电机控制器3驱动直流伺服电机5转动到下一中性密度滤光片处，即使光源光束通过透射率T为80%的中性密度滤光片8，使光源的光强减弱为原来的80%。之后再重复步骤(2.3)，再进行(2.4)中是否饱和的判断，若仍然饱和，则继续驱动直流伺服电机5转动到下一中性密度滤光片处，即使光源光束通过透射率T为50%的中性密度滤光片9，使光源的光强减弱为原来的50%。之后再重复步骤(2.3)，再进行(2.4)中是否饱和的判断，若仍然饱和，则继续驱动直流伺服电机5转动到下一中性密度滤光片处，即使光源光束通过透射率T为30%的中性密度滤光片10，使光源的光强减弱为原来的30%。最终在光谱仪2上测量得到一条未饱和、满足要求的光谱曲线。
[0053](2.7)光谱曲线大部分在线性响应区间，证明光源的光强在到达光谱仪2上时并没有超过它的测量阈值，所以计算机不用通过伺服电机控制器3驱动直流伺服电机5转动，光源光束不需要通过中性密度滤光片8、9或10来减弱光强，结束。
[0054]上述步骤仅以一种中性密度滤光片排列分布为例。对于其他中性密度滤光片排列分布方式的广义椭偏仪，本光强自动调整方法及装置同样适用。
[0055]本发明不仅局限于上述【具体实施方式】，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种【具体实施方式】实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
【权利要求】
1.一种用于广义椭偏仪的光强自动调整装置，其特征在于，该装置包括计算机、光谱仪、伺服电机控制器、增量式编码器、直流伺服电机和中性密度滤光片转盘； 增量式编码器设置在直流伺服电机内；中性密度滤光片转盘包括一个通光孔和多片透光率不同的中性密度滤光片；中性密度滤光片转盘可转动安装在直流伺服电机端面上；直流伺服电机通过伺服电机控制器与计算机相连；增量式编码器与伺服电机控制器相连；光谱仪通过USB端口与计算机相连接； 计算机用于控制光谱仪的工作，通过伺服电机控制器控制直流伺服电机的运动；根据光谱仪采集到的光谱曲线是否饱和以及光谱曲线是否在光谱仪线性响应区间来决定是否要转动直流伺服电机，从而带动所述中性密度滤波片转盘转动以切换中性密度滤波片以改变光源照射出来的光强大小。
2.根据权利要求1所述的光强自动调整装置，其特征在于，所述计算机内设置有直流伺服电机控制模块和光谱仪控制模块；其中，直流伺服电机控制模块用于完成直流伺服电机运动参数的设置以及直流伺服电机相应运行动作的控制，同时接收来自伺服电机控制器的返回信息；光谱仪控制模块用于在直流伺服电机运行到特定位置后对光谱仪参数的设置以及光谱仪基本行为的控制，同时接收并储存光谱仪所采集的光谱数据。
3.根据权利要求1所述的光强自动调整装置，其特征在于，所述中性密度滤光片为三片，三片中性密度滤光片的透光率为分别为80 %、50 %和30 %。
4.一种权利要求1所述光强自动调整装置的控制方法，包括下述步骤: 第I步计算机上通过伺服电机控制器驱动直流伺服电机回逻辑零位，直流伺服电机的逻辑零位设置为使光源光束正好从中性密度滤光片转盘的通光孔中透过； 第2步利用光谱仪按照设置的参数进行光谱数据采集，得到光谱曲线，由光谱仪返回给计算机； 第3步计算机判断光谱曲线是否饱和；若光谱曲线不饱和，转入第5步；若光谱曲线饱和，则进入第4步； 第4步计算机通过伺服电机控制器驱动直流伺服电机转动到下一中性密度滤光片处，即使光源光束通过该中性密度滤光片以减弱光强，之后转入第2步； 第5步判断光谱曲线是否大部分在线性响应区间，如果是，进入第6步，否则，转入第4I K少； 第6步结束调整。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，第5步中，所述判断光谱曲线是否大部分在线性响应区间，是指最低光强在5000counts以上，80%的光谱曲线尖峰不超过40000countso
【文档编号】G01J3/447GK104344891SQ201410594725
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】刘世元, 李苏斌, 李伟奇, 张传维, 杜卫超 申请人:华中科技大学