对微纳光学元件的结构深度进行无损检测的装置及方法与流程

1.本发明涉及微纳结构检测技术领域，特别是涉及一种对微纳光学元件的结构深度进行无损检测的装置及方法。


背景技术：

2.微纳结构是指其结构、特征尺寸等达到微米或纳米量级，常见的微纳结构包括亚波长光栅结构和“蛾眼”结构。随着微纳结构的广泛应用，人们对其光谱性能的要求越来越高。光在传输过程中通过不同折射率介质时会发生菲涅尔损耗，导致光的利用率降低，所以如何增加透过率，抑制反射率，从而提高光吸收成为了研究热点。与传统的采用抗反射涂层方式相比较，在光学表面直接加工微纳结构具有稳定性，耐久性，以及更灵活地协调能力，能够在宽光谱范围内实现增透功能。目前，微纳结构已被广泛应用于光电子、激光、太阳能及航空航天等领域。
3.对于制作出的微纳结构，需进行相关检测，包括结构参数和性能。由于微纳结构的特征尺寸参数基本为亚微米级(≤500nm)，无法采用常规的光学显微镜进行检测，而其它可行的检测手段，例如激光共聚焦显微镜、原子力显微镜等存在设备需求配置较高，测试成本高，测试效率较低等问题。


技术实现要素：

4.本发明为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种对微纳光学元件的结构深度进行无损检测的方法，该方法具有性价比高、测试效率较高、样品损伤性低的特点。
5.本发明所采用的技术方案是：
6.一种对微纳光学元件的结构深度进行无损检测的装置，包括测试箱体和用于封盖该测试箱体的箱盖，在所述测试箱体内设置光源、单色器、分光器、被测微纳光学元件、积分球、反射镜和光电倍增管，在测试箱体外设置的计算机与光电倍增管的输出端连接。
7.沿着光路方向，在测试箱体内的一边安装一个光源，之后同光轴安装一个单色器和分光器，在分光器上部正前方安装一块反射镜，与反射镜成90
°
的正下方再安装一块反射镜，在反射镜之后沿单色器的光轴延长线，安装一个光电倍增管，光电倍增管的输出端与测试箱体外的计算机连接，在分光器下部正前方安装一个积分球，在积分球的出射端之后一个光电倍增管。测试无需再暗室条件要求。
8.优选的，光源采用卤素灯，其波长为360～2000nm。
9.一种微纳光学元件的结构深度无损检测方法，包括以下步骤：
10.第一步：设备预热，首先打开测量系统及计算机的电源进行预热约2～3分钟；
11.第二步：光路检查，打开光源和操作软件进行系统光路检查是否正常，由计算机显示检查完成即可；打开测试系统的盖板，检查参考光路是否正常，而后关闭护罩；
12.第三步：光谱范围设定，按照微纳元件使用需要测试的光谱范围400nm～850nm进行设定；
13.第四步：设备校准，打开操作软件、开始透过光采集，进行光谱透过率空测一次，透过率测试100％归零；
14.第五步：清洁被测件，用酒精擦拭待测的微纳光学元件表面和背面，清洁后待测；
15.第六步：装入被测件，打开测量系统的测试箱体盖板，装入待测的微纳光学元件，关闭盖板；
16.第七步：测出透过率曲线，进行透过光采集及光谱范围的透过率测定，此时由光源发出的光，经单色器连续分离出单色光，通过分光器分成两束光线，一束为参考光，一束为测量光，测量光对微纳光学元件进行照射，光线经反射镜折转，由高灵敏度的光电倍增管交替接收参考光和微纳光学元件的透过光，并把采集到的透过光、参考光信号转变成电信号，输出给计算机，经软件处理，得出微纳光学元件透过率曲线；
17.第八步：计算微纳光学元件的结构，根据fraunhofer衍射强度分布公式：
[0018][0019]
式中：i(fx)为衍射强度；fx＝sinθ/λ，θ为衍射角，λ为入射波长；l为结构总宽度；m为衍射级数取值为正负整数；h为结构深度；c为透光率；a为结构周期；
[0020]
和衍射光栅公式：
[0021]
mλ＝a(sinα
±
sinθ)
[0022]
式中：m为衍射级数，取值为正负整数；λ为入射波长；a为结构周期；α为入射角；θ为衍射角；
[0023]
得到0级衍射峰值强度i
0peak
与微纳光学元件透过率t的关系为：
[0024][0025]
式中：h为结构深度；λ为入射波长；
[0026]
透过率t和结构深度h的关系式为：t＝80-0.07h，将测得的透过率值带入式中，计算得到微纳光学元件的结构深度h。
[0027]
进一步地，所述结构深度h在400nm～600nm范围内。
[0028]
本发明的有益效果为：
[0029]
该方法基于光学理论分析，通过透过率计算出结构特征尺寸，无需要对表面进行聚焦，所测深度数据可靠，具有性价比高、测试效率较高、样品损伤性低的特点。
附图说明
[0030]
图1：被测微纳光学元件结构示意图。
[0031]
图2：本发明的无损检测装置的组成结构示意图。
[0032]
图3：本发明的无损检测方法的流程图。
[0033]
图4：本发明的方法对微纳光学元件的实测透过率曲线图。
[0034]
图5：微纳光学元件透过率-结构深度的曲线图。
[0035]
图中：1-微纳结构，2-光源；3-单色器；4-分光器；5-被测微纳光学元件；6-积分球；7-反射镜；8-光电倍增管；9-测试箱体；10-箱盖；11-计算机。
具体实施方式
[0036]
参照图1，微纳光学元件是在透明材质上制作一层微纳结构，对入射光起到调制作用。特征尺寸在亚微米级别。
[0037]
实施例1
[0038]
参照图2，一种对微纳光学元件的结构深度进行无损检测的装置，包括测试箱体9和用于封盖该测试箱体的箱盖10，在所述测试箱体9内设置光源2、单色器3、分光器4、被测微纳光学元件5、积分球6、反射镜7和光电倍增管8，在测试箱体9外设置的计算机11与光电倍增管8的输出端连接。
[0039]
在测试箱体9的内的一边设置一个光源2，沿着光路行进的方向，在其后同光轴安装一个单色器3和分光器4，在分光器4的上部正前方安装一块反射镜7，与反射镜7成90
°
的正下方再安装一块反射镜7，在反射镜7之后沿单色器3的光轴延长线，安装一个光电倍增管8，光电倍增管8的输出端与测试箱体9外的计算机11连接，在分光器4的下部正前方安装一个积分球6，被测微纳光学元件5位于分光器4与积分球6之间，在积分球6的出射端之后安装一个光电倍增管8。
[0040]
参照图2，光源是通过支架固定的卤素灯，波长360～2000nm；
[0041]
参照图2，单色器、分光器、反射镜、积分球、光电倍增管、计算机均符合国家或行业标准的光电仪器及电子元器件。
[0042]
参照图2，按照积分球时需保证透过光信息均能够被光电倍增管采集到，需要对积分球及光电倍增管的位置进行装配校正。
[0043]
实施例2
[0044]
参照图3，利用实施例1中的装置对微纳光学元件的结构深度进行无损检测的方法，其测量操作流程为：
[0045]
第一步：设备预热，首先打开测量系统及计算机的电源进行预热约2～3分钟；
[0046]
第二步：系统光路检查，打开光源和操作软件进行系统光路检查是否正常，由计算机显示检查完成即可；
[0047]
第三步：检查参考光路，打开测试系统的盖板，检查参考光路是否正常，而后关闭护罩；
[0048]
第四步：光谱范围设定，按照微纳元件使用需要测试的光谱范围400nm～850nm进行设定；
[0049]
第五步：设备校准，打开操作软件、开始透过光采集，进行光谱透过率空测一次，透过率测试100％归零；
[0050]
第六步：清洁被测件，用酒精擦拭待测的微纳光学元件表面和背面，清洁后待测；
[0051]
第七步：装入被测件，打开测量系统的测试箱体盖板，装入待测的微纳光学元件，关闭盖板；
[0052]
第八步：测出透过率曲线。进行透过光采集及光谱范围的透过率测定，此时由光源发出的光，经单色器连续分离出单色光，通过分光器分成两束光线，一束为参考光，一束为测量光，测量光对微纳光学元件进行照射，光线经反射镜折转，由高灵敏度的光电倍增管交替接收参考光和微纳光学元件的透过光，并把采集到的透过光、参考光信号转变成电信号，输出给计算机，经软件处理，得出微纳光学元件透过率曲线；
[0053]
第九步：计算微纳光学元件的结构。根据fraunhofer衍射强度分布公式和衍射光栅公式mλ＝a(sinα
±
sinθ)，当0级衍射峰值强度与微纳光学元件透过率呈正相关，从0级衍射峰值计算公式可以看出峰值强度由结构深度和入射波长决定，因此，在入射波长固定的前提下，透过率随着微纳结构深度的增加而减小。在400nm～600nm范围内，透过率t和结构深度h的呈线性负相关。将测得的透过率值带入t-h关系式中，可以计算得到微纳光学元件的结构深度h。
[0054]
本发明的数据处理软件均为自行设计。
[0055]
参照图1、图4，从图4的透过率曲线可以看出，不同的微纳光学元件样品透过率曲线高度不同，原因是2个样品的微纳结构深度存在差异，在相同入射波长条件下，根据0级衍射峰值计算公式可以看出，微纳结构深度越深，该波段的透过率越低。当入射波长＝440nm时，透过率t和结构深度h的关系式为：t＝80-0.07h。
[0056]
实施例3
[0057]
参照图4、5，计算微纳光学元件结构深度举例：
[0058]
从图4中可以读出420nm对应的样品1透过率＝47.7％，样品2透过率＝38.3％。
[0059]
在图5中能够看到，透过率47.7％对应的结构深度为460nm，透过率38.3％对应的结构深度为595nm。即样品1的结构深度h＝460nm，样品2的结构深度h＝595nm。
[0060]
本发明是利用实测的透过率曲线计算微纳光学元件的结构深度，与实际情况的一致较好，因此该测量方法及所测深度数据是可靠的。