一种椭偏仪以及基于该椭偏仪的检测方法与流程

本发明涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种椭偏仪以及基于该椭偏仪的检测方法。

背景技术：

椭偏仪的原理是利用确定偏振状态的光照射样品，通过测量反射光的偏振状态来推算样品的光学特性的设备。椭偏仪是一种用于探测薄膜厚度、光学常数以及材料微结构的光学测量仪器。由于测量精度高，适用于超薄膜，与样品非接触，对样品没有破坏，且不需要真空，使椭偏仪成为一种极具吸引力的测量仪器。

椭偏仪测量反射率rp和反射率rs的复数比率，其中rp为p偏振光反射率，rs为s偏振光反射率。rp和rs都是复数，其值的大小与材料的光学常数、波长、入射角度等有关。

当前市场上的椭偏仪有很多种类，提供的椭偏仪都是由照明臂、检测臂、样品平台三者分离搭建的方式，通过旋转照明臂和检测臂的角度实现不同的反射角和方位角扫描，这种扫描式的椭偏仪检测时间太长，不利于某些样品的检测。专利cn200780022259中公开了一种多种角度偏振光同时照明的方法可以提高检测效率，但未发现根据不同反射角、径向角同步检测的椭偏仪。

本发明将提供一种能够快速进行探测的椭偏仪以及相应检测方法，该装置能够并行探测不同反射角、方位角的偏振特性，达到快速测量的效果，为某些特殊材料的光偏振特性检测提供技术支持。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何并行探测不同反射角、方位角的偏振特性，达到快速测量的效果。

为了解决上述技术问题，在一个方面，本发明提供了一种椭偏仪。

本发明实施例的椭偏仪包括：激光器、声光调制器、第一会聚透镜、准直透镜、贝塞尔光束转换器、起偏器、第一半透半反镜、高数值孔径透镜、第二半透半反镜、检偏器和第一感光单元；其中；激光器发出激光，激光由声光调制器进行调制之后进入第一会聚透镜，第一会聚透镜将激光聚焦后，激光由准直透镜准直成平行光进入贝塞尔光束转换器；贝塞尔光束转换器将激光转换为贝塞尔光束之后送入起偏器，起偏器出射的线偏振贝塞尔光束透过第一半透半反镜并经过高数值孔径透镜照射在待检测物品；待检测物品反射的激光经过高数值孔径透镜之后由第一半透半反镜反射到第二半透半反镜，激光透过第二半透半反镜之后进入检偏器，检偏器出射的激光照射到第一感光单元；第一感光单元获取激光光强信息以确定椭偏参数信息。

优选地，所述椭偏仪进一步包括设置在第一会聚透镜和准直透镜之间的光纤，其中，第一会聚透镜将激光聚焦耦合到光纤，激光从光纤出射后由准直透镜准直成平行光。

优选地，所述椭偏仪进一步包括：第二会聚透镜和第二感光单元；其中，在第一半透半反镜反射的激光照射到第二半透半反镜时，部分激光被第二半透半反镜反射到第二会聚透镜，第二会聚透镜将激光会聚到第二感光单元。

优选地，第二感光单元位于第二会聚透镜的前焦面。

优选地，所述椭偏仪进一步包括：用于放置待检测物品的温控单元和用于放置温控单元的三维移动平台；其中，温控单元还用于调整待检测物品的温度。

优选地，待检测物品的检测面与高数值孔径透镜的前焦面重合；高数值孔径透镜的光轴与所述线偏振贝塞尔光束的中心线重合。

优选地，所述声光调制器用于调整耦合到光纤的激光的波长；所述检偏器可在伺服电机控制下变换角度；所述声光调制器、起偏器、温控单元、三维移动平台、检偏器、第一感光单元和第二感光单元都受主控计算器控制；所述激光器为连续光谱激光器；所述第一感光单元和第二感光单元为面阵感光器件；所述第二会聚透镜为显微场镜；所述高数值孔径透镜为高数值孔径显微物镜；所述光强信息为光强的二维分布信息，所述椭偏参数信息为椭偏参数的二维分布信息。

在另一方面，提供一种基于上述椭偏仪的检测方法。

该方法包括：开启激光器，将待检测物品固定在三维移动平台，并调整三维移动平台的位置，使待检测物品的检测面位于视场中央，并且使第二感光单元的光斑会聚为最小；利用温控单元设定待检测物品的温度，并调节声光调制器以选择检测波长；检偏器旋转，第一感光单元测量待检测物品反射激光的光强信息，以确定激光的椭偏参数信息；改变检测波长、和/或待检测物品的温度，重复执行确定椭偏参数信息的步骤；基于确定的椭偏参数信息建立待检测物品随反射角、方位角、波长或温度的变化曲线。

优选地，检偏器旋转，第一感光单元测量待检测物品反射激光的光强信息，具体包括：检偏器旋转到多个预设大小的检偏角度，第一感光单元测量此时待检测物品反射激光的光强信息；其中，检偏角为检偏器的透振方向与p光偏振方向的夹角；所述检偏角度由起偏器的角度确定。

优选地，所述检偏角度为0°、45°、90°和135°，所述方法进一步包括：通过以下公式计算激光的椭偏参数：

其中，rp为p偏振光反射率，rs为s偏振光反射率，为椭偏参数，δp为rp的相位，δs为rs的相位，ψ为偏振角，δ为δp与δs之差，i0、i90、i45、i135分别为检偏角度在0°、45°、90°、135°时测量到的光强信息。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种对材料偏振反射特性快速检测的方法，能够在对材料进行温控的条件下，针对不同反射角、方位角同步测量，与现有的角度扫描式和方位扫描式椭偏仪相比大幅提升检测效率。本发明实施例的椭偏仪能够对反射角度-70～70°范围内、方位角360°范围内进行反射特性同步测量，具有对二向色性材料的偏振特性进行测量的能力。同时，本发明采用贝塞尔光束对材料的偏振特性进行检测，能够提高反射角度偏振特性的测量精度。此外，本发明还可以对亚微米量级的光学表面进行测量，为高端制造提供技术支持。最后，本发明还提供一种利用感光单元快速探测检测面是否对准的方法。

附图说明

图1是本发明实施例的椭偏仪的组成部分示意图；

图2是本发明实施例的高数值孔径透镜后焦面示意图；

图3是本发明实施例的待检测物品反射面示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例的椭偏仪的组成部分示意图。如图1所示，本发明实施例的椭偏仪可包括：激光器1、声光调制器2、第一会聚透镜3、准直透镜5、贝塞尔光束转换器6、起偏器7、第一半透半反镜8、高数值孔径透镜9、第二半透半反镜13、检偏器16和第一感光单元17。可以理解，高数值孔径透镜指的是数值孔径大于阈值的透镜。

具体应用中，可在第一会聚透镜3和准直透镜5之间设置光纤4。作为一个优选方案，为了快速探测被检测物品的检测面是否对准，还可设置第二会聚透镜14和第二感光单元15。

较佳地，上述声光调制器可以通过改变超声波频率调整耦合到光纤的激光波长，上述检偏器可在伺服电机控制下变换角度，上述激光器为连续光谱激光器，上述第一感光单元和第二感光单元为面阵感光器件，上述第二会聚透镜为显微场镜，上述高数值孔径透镜为高数值孔径、无限远成像物镜。

在本发明实施例中，上述器件的工作流程可如下所示：

激光器1发出激光，激光由声光调制器2进行调制之后进入第一会聚透镜3，第一会聚透镜3将激光聚焦耦合到光纤4，激光从光纤出射后由准直透镜5准直成平行光并进入贝塞尔光束转换器6。贝塞尔光束转换器6将激光转换为贝塞尔光束之后送入起偏器7，起偏器7出射的线偏振贝塞尔光束透过第一半透半反镜8并经过高数值孔径透镜9照射在待检测物品。其中，待检测物品的检测面10与高数值孔径透镜9的前焦面重合，高数值孔径透镜9的光轴与上述线偏振贝塞尔光束的中心线重合。待检测物品反射的激光经过高数值孔径透镜9被准直为平行光，之后该平行光被第一半透半反镜8反射到第二半透半反镜13，光束透过第二半透半反镜13之后进入检偏器16，检偏器16出射的激光照射到第一感光单元17，第一感光单元17获取激光光强信息以确定椭偏参数信息。同时，在第一半透半反镜8反射的激光照射到第二半透半反镜13时，部分激光被第二半透半反镜13反射到第二会聚透镜14，第二会聚透镜将激光会聚到第二感光单元15。其中，第二感光单元位于第二会聚透镜的前焦面。具体检测场景中，在确定待检测物品的检测位置时，可调节待检测物品的z轴位置，当第二感光单元上的光斑最小时表示待检测物品处于最佳检测位置。一般地，空间直角坐标系的x轴为水平方向，y轴为垂直水平面的方向，z轴与xoy平面垂直。

在一些实施例中，椭偏仪可进一步包括：用于放置待检测物品的温控单元11和用于放置温控单元11的三维移动平台12，温控单元可用于调整待检测物品的温度，由此可测量不同温度条件下的反射特性，通过控制三维移动平台可调整待检测物品的观测位置。

实际检测场景中，声光调制器2、起偏器3、温控单元11、三维移动平台12、检偏器16、第一感光单元17和第二感光单元15都受主控计算器18控制。

图2是本发明实施例的高数值孔径透镜后焦面示意图。在图2中，201为高数值孔径透镜的后焦点，将该点定义为该平面的坐标原点，202是平行于该光轴的线偏振贝塞尔光束中的某一光线与该平面的交点，该点到原点的距离由于贝塞尔光束的中心线和高数值孔径透镜的光轴重合，因此r表示该光线到光束中心线的距离。203是高数值孔径透镜的孔径边界在该平面的投影，图2中的夹角为该光线的方位角，其大小为arctan(yl/xl)。图3是本发明实施例的待检测物品反射面示意图。如图3所示，图2中光线经过高数值孔径透镜照射到物品的角度(即反射角度)可表示为arctan(r/f)，f为高数值孔径透镜的焦距。可以看到，上述贝塞尔光束中不同位置的光线往往具有不同的方位角和反射角，因此在本发明中，一次探测就可并行获取多个方位角和反射角的信息，第一探测单元在一次探测过程中获取的光强信息即是光强的二维分布图像，图像中的每一像素点即代表一个不同的方位角和反射角，每一像素点经过后续计算会得到一个相应的椭偏率，这样，一次探测计算得到的椭偏参数信息即为椭偏参数的二维分布信息。通过上述设置，本发明仅通过一次探测就可以针对不同反射角、方位角并行测量，快速获得材料偏振特征与方位角、反射角的响应关系，从而大幅提升材料偏振反射特性检测的效率。

以下将介绍根据被检测物品的反射光光强信息获取椭偏参数信息的步骤：

1.连续光谱激光器发出激光，经声光调制器调制，利用第一会聚透镜耦合到光纤中，经光纤滤波后出射，出射的激光被准直透镜准直成平行光，该光束为高斯光束，透过贝塞尔光束转换器转换成贝塞尔光束。平行光经起偏器起偏形成偏振光偏振光的方向可以通过调整起偏器的角度进行调整。

2.光束半径为rb，高数值孔径显微物镜的孔径为r0，为保证光的有效利用和实现足够大的反射角测量，光束半径rb略小于r0，设高数值孔径透镜的后焦面为pl，则如图2、3所示，方位角反射角θ＝arctan(r/f)。

3.由于待检测物品与光的相互作用主要区分在p偏振光和s偏振光，高数值孔径透镜将转变为的偏振转换矩阵为为提高测量精度，起偏器的角度要随着照明组件位置调整，保证p偏振光和s偏振光分量相等。

4.待检测物品的反射特性为是待检测物品的待测数据，λ为波长，t是材料的温度，t可以通过三维平移台上的温控单元进行控制。

5.被待检测物品反射的光，再次被高数值孔径透镜接收，转换矩阵为m^-1，接收光被第一半透半反镜反射，再经第二半透半反镜分光，检测路的光照射到检偏器上。检偏器的透振方向与p光偏振方向的夹角可分别设为0°、45°、90°、135°，其对应的转换矩阵分别为透过检偏器在感光芯片上得到电磁波可如下式所示：

光强信息为：其中，e^*表示e的共轭向量。

6.在θ、λ、t固定的情况下可以得到四个二维分布的光强信息i0(x,y)、i90(x,y)、i45(x,y)、i135(x,y)，这意味着，经过高数值孔径透镜孔径内不同位置的光，对应测量着不同反射角、方位角的反射特性。之后，即可根据下式计算二维平面分布的椭偏参数。可以理解，该平面的每一位置对应一种反射角和方位角的偏振特性：

其中，rp为p偏振光反射率，rs为s偏振光反射率，为椭偏参数，δp为rp的相位，δs为rs的相位，ψ为偏振角，δ为δp与δs之差。

7.感光单元采用面阵感光器件，感光面与待检测物品反射面满足成像关系，因此可以获得成像范围内所有点的偏振转换特性，通过二维移动待检测物品可以对整个待检测物品表面扫描成像。

在本发明实施例中，进一步提供一种使用上述椭偏仪的检测方法，该方法包括以下步骤：

1.开启激光器，将待检测物品固定在三维移动平台，并调整三维移动平台的位置，使待检测物品的检测面位于视场中央，并且使第二感光单元的光斑会聚为最小，从而确定待检测物品的最佳检测位置。

2.利用温控单元设定待检测物品的温度，并调节声光调制器的电压频率以选择检测波长。

3.检偏器旋转，第一感光单元测量待检测物品反射激光的光强信息，以确定激光的椭偏参数信息。

4.改变检测波长、和/或待检测物品的温度，重复执行确定椭偏参数信息的步骤。

5.基于确定的椭偏参数信息建立待检测物品随反射角、方位角、波长或温度的变化曲线，给出待检测物品的偏振反射特性检测报告。

在一些实施例中，测量光强时，检偏器旋转到多个预设大小的检偏角度，第一感光单元测量此时待检测物品反射激光的光强信息；其中，检偏角为检偏器的透振方向与p光偏振方向的夹角；所述检偏角度由起偏器的角度确定。

作为一个优选方案，所述检偏角度为0°、45°、90°和135°，此时可通过上述公式计算椭偏参数信息。

综上所述，在本发明实施例的技术方案中，提供了一种对材料偏振反射特性快速检测的方法，能够在对材料进行温控的条件下，针对不同反射角、方位角同步测量，与现有的角度扫描式和方位扫描式椭偏仪相比大幅提升检测效率。本发明实施例的椭偏仪能够对反射角度-70～70°范围内、方位角360°范围内进行反射特性同步测量，具有对二向色性材料的偏振特性进行测量的能力。同时，本发明采用贝塞尔光束对材料的偏振特性进行检测，能够提高反射角度偏振特性的测量精度。此外，本发明还可以对亚微米量级的光学表面进行测量，为高端制造提供技术支持。最后，本发明还提供一种利用感光单元快速探测检测面是否对准的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。