[發明專利]用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學測頭裝置

有效

• 申請號: 201310012573.1
• 申請日: 2013-01-14
• 公開（公告）號: CN103090972A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 胡春光;徐臻圓;張一帆;謝鵬飛;傅星;胡小唐
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01J3/42
• 分類號: G01J3/42;G01J3/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

技術領域

本發明涉及精密測試技術領域和表面光學表征領域，特別是涉及一種利用反射差分光譜技術的光學測量裝置。

背景技術

反射差分光譜技術是一種對表面光學各向異性具有高靈敏度的光學測量技術，廣泛應用于監測超薄鍍膜生長與制備、分析半導體表面納米結構等科學研究與工業生產領域。這項技術通過檢測偏振光經過測試樣品表面后偏振態的變化，來對物體表面或物質間界面的物理屬性進行分析，具有非接觸、無損測量、對測量環境無特殊要求的特點。

傳統的光學測頭體積大，加之內部各種光學元件與馬達器件，重量較沉。大體積的光學測頭不僅削弱了設備的移動性能也在一定程度上限制了設備在真空腔上進行在線測試的應用。

早期緊湊式光學測頭，使用凸透鏡對輸入光束進行會聚，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，導致光束色散嚴重，無法在測試樣品表面得到小尺寸光斑。

發明內容

針對上述現有技術，本發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測頭裝置，該裝置體積小、重量輕、調節簡便、性能可靠，可應用于超真空環境中的在線檢測。

為了解決上述技術問題，本發明用于反射差分光譜測量的緊湊式全光譜光學測頭裝置予以實現的技術方案是包括入射光纖、離軸拋物反射鏡、起偏器、旋轉補償器、檢偏器、第一凹面反射鏡、第二凹面反射鏡和出射光纖；光源經入射光纖入射，經過離軸拋物反射鏡變為平行或匯聚光束，該平行或匯聚光束經過起偏器變為線性偏振光后，再經過旋轉補償器進行信號調制，調制后的光照射到測試樣品表面；經由測試樣品反射的光經檢偏器成為線性偏振光后，再依次經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°。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明將反射差分光譜技術應用于超高真空環境在線應用，但由于因真空腔內空間有限，光學測頭需放置在真空腔外，而測試樣品放置在真空腔內，所以測量條件受到諸多限制。例如：

（1）光學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整范圍內，通常設計為50cm±10cm。

（2）由于入射光與反射光存在一定的夾角，當測試樣品距離觀測窗較遠時，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，因此光束夾角應當盡可能地小。另一方面，夾角的變小將給測頭內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元件及其機械支撐結構，特別是轉臺，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構對測量的影響（如雜散反射光），光束會聚在測試樣品表面的光斑直徑應小于測試樣品尺寸，根據實際需要，光斑直徑應在1-8mm范圍可調。

（4）為獲得測試樣品寬光譜范圍的光學屬性，如250-800nm，系統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到光學測頭，以消除大功率氙燈發熱對光學測頭的影響。光學測頭需實現光束從光纖輸出端，經過較長的傳輸距離（即光學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，光學元件的色散特性、光譜范圍和通光效率也十分重要，設計的結構應保證各波段，特別是紫外波段（空氣吸收損失較大），有較足夠的光強傳輸到探測器中，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盡可能地緊湊，避免因空間不足造成無法與其他設備聯用。

綜上，本發明基于離軸拋物反射鏡的光學結構，在入射光纖輸出端，離軸拋物反射鏡（OAP）作為光束轉折和匯聚元件。與常用的凹面反射鏡和平面反射鏡組合結構相比，單個離軸拋物鏡大大簡化了光路結構，有效縮減了光學結構的空間尺寸。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馬達、連續馬達、角度傳感器的電氣控制端口均布置在同一側，也有效壓縮了光學測頭的外圍占有空間，并方便了設備的連接和安裝。光學系統（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節元件，在消除由透鏡引起的色散問題的同時，金屬鍍膜有效增強紫外波段的反射率，促進了整套系統光譜光強的平衡。

附圖說明