成像橢偏儀的系統參數校準方法技術方案

一種成像橢偏儀系統參數的校準方法，可校準成像橢偏儀的系統參數，包括起偏器的偏振方向、檢偏器的偏振方向、左右光柵尺的原點位置。該校準方法過程簡單、準確，重復性高。校準完成后，無需調整系統部件即可直接測量，從而簡化測量過程、提高測量精度。

【技術實現步驟摘要】
成像橢偏儀的系統參數校準方法
本專利技術涉及光學測量儀器
，特別涉及成像橢偏儀的系統參數校準方法。
技術介紹
科學史上,測量技術的每次進步,都能夠推動科學的發展。作為研究材料表面科學的重要技術，其測量過程具有對樣品非破壞性、非接觸性以及高的測量精度等諸多優點，在光學工業、電子工業、生物化學、金屬材料等越來越多的領域取得了廣泛的應用。圖1所示為成像橢偏儀的系統示意圖，該成像橢偏裝置由激光器、1/4波片、準直器、起偏器、補償器、旋轉臺、檢偏器、雙遠心透鏡、CCD相機、樣品臺、控制器、計算機、左光柵尺、右光柵尺和自準直儀組成；其中激光器、1/4波片、準直器、起偏器、補償器組成入射臂，檢偏器、雙遠心透鏡、CCD相機組成反射臂，左光柵尺和右光柵尺安裝在旋轉臺左右兩側弧上，左右光柵尺傳感器分別安裝在入射臂和反射臂上，左右光柵尺上各自有原點，根據左右光柵尺編碼器反饋的脈沖數來記錄入射臂和反射臂轉過的角度，起偏器，檢偏器分別由伺服電機控制旋轉，根據伺服電機反饋脈沖數來記錄起偏器和檢偏器轉過的角度，控制器控制入射臂、反射臂、起偏器、檢偏器、補償器的旋轉，控制器記錄并顯示光柵尺編碼器和伺服電機反饋的脈沖數，自準直儀固定在半圓形旋轉臺對稱軸上，自準直儀出射光為指向旋轉臺圓心的法線方向，樣品臺用于對準樣品，對樣品進行傾斜調節和縱向調節。基于成像橢偏測量法的原理如下：激光器發射的光經過起偏器后，成為線偏振光，線偏振光經過1/4波片相位延遲器，產生橢偏光，該橢偏光照射到待測樣品表面，所述的橢偏光經過待測樣品表面后變為線偏振光，該線偏振光通過檢偏器進入圖像傳感器，通過分析待測參考樣品反射來的光的光強，得到待測樣品表面的特征信息，即橢偏參數(Δ，ψ)。從上面成像橢偏測量法的原理看出，最重要的步驟就是利用成像橢偏測量系統獲得樣品的橢偏參數(Δ，ψ)，而成像橢偏參數(Δ，ψ)是入射角、波長、偏振器件的方位角和相位延遲等參數的函數，那么偏振器件的方位角和入射角的準確性就非常重要，它們的精度直接影響測得的橢偏參數的精度，此外入射角的重要性還體現在如下方面：(1)當入射角設置為樣品基底的Brewster角附近，測量靈敏度提高；(2)在不同的入射角下測量樣品，可以獲得樣品更多的參量。目前確定橢偏儀起偏器和檢偏器的方位角，比較普遍的方法就是利用參考樣品去校準橢偏儀的系統參數，具體方法如下：設置入射角等于參考樣品的Brewster角，此時反射光變成只有s分量的完全偏振光，旋轉檢偏器，使得完全消光，那么檢偏器的偏振方向必為p方向，從而確定檢偏器的偏振方向，進而利用兩偏振片的偏振方向垂直消光而確定起偏器的偏振方向。實際操作中這種方法有很多缺陷：(1)參考樣品的精度決定了起偏器和檢偏器的方位角的準確性，若參考樣品的Brewster角有偏差，直接導致起偏器和檢偏器的方位角的偏差；(2)要設置精確的入射角，那么就必須確定入射臂上光柵尺的原點位置，實際中常用的光柵尺原點是人為標定，然后利用外界條件去找到原點的位置，這樣給方位角校準過程增加困難；(3)實際操作中利用步進電機脈沖技術設置入射角和反射角，那么就存在電機失步或者慣性過沖的問題，從而影響了入射角和反射角的精度，進而影響起偏器和檢偏器的方位角的確定。申請號為201010137774的專利技術公開了一種用于橢偏測量系統中入射角度自動探測的裝置，該裝置實現了入射角自動探測，但是該裝置需要在系統中多處安裝位置探測裝置，這就使得該裝置結構復雜，而且位置探測裝置的校準本身也是一個比較復雜的過程，限制了該自動探測裝置在橢偏儀系統參數標定中的應用。由此可見，在成像橢偏測量系統中，如何確定起偏器和檢偏器的方位角，以及入射角和反射角大小仍存在很多需要改進的地方。
技術實現思路
針對現有技術存在的問題，本專利技術的目的在于提供一種成像橢偏儀系統參數的校準方法，校準的系統參數包括起偏器的偏振方向、檢偏器的偏振方向、左右光柵尺的原點位置。本專利技術的技術解決方案如下：一種成像橢偏儀系統參數的校準方法，其特點在于該校準方法包括以下步驟：①調整自準直儀，使自準直儀的出射光方向通過成像橢偏儀旋轉臺的圓心，在成像橢偏儀旋轉臺上沿自準直儀依次設置偏振分束器和直角棱鏡，所述的直角棱鏡的斜面向右直角邊置于樣品臺上，調整所述的偏振分束器使所述的自準直儀出射的光正入射并經偏振分束器分為互相垂直的o光和e光，o光的偏振方向平行于入射面，e光的偏振方向垂直于入射面，o光經所述的直角棱鏡的斜面反射，所述的直角棱鏡的一個小于45°的銳角α擺在右邊，打開激光器，調整所述的直角棱鏡，使自準直儀出射光與激光器發射的光交于直角棱鏡斜邊上同一點，自準直儀出射的o光垂直于直角棱鏡的直角邊；②轉動反射臂，使反射臂的光柵尺傳感器停在右光柵尺的原點，此時反射臂上的右光柵尺的讀數為0，再緩慢旋轉所述的反射臂，所述的CCD相機實時記錄光強，當光強最小時，右光柵尺的讀數為l1，得到反射臂和右光柵尺原點的夾角為θ1，根據光路的幾何關系可推出右光柵尺原點與旋轉臺圓心連線和法線的夾角為2α-θ1，即右光柵尺原點位置與法線的夾角；③此時固定反射臂，將控制檢偏器的伺服電機復歸機械原點，即伺服電機編碼器讀數為0，伺服電機驅動所述的檢偏器緩慢旋轉，所述的CCD相機實時記錄光強，當光強最小或者完全消光時，此時檢偏器的通光方向為s方向，此時在控制器調整控制檢偏器的伺服電機的原點位置，使得伺服電機編碼器讀數為0時，檢偏器的通光方向為s方向；④將入射臂的1/4波片、準直器、補償器卸下，將所述的直角棱鏡的斜邊向左擺放，直角棱鏡的一個小于45°的銳角α擺在左邊，再按上述步驟①調整所述的直角棱鏡，關閉激光器，將所述的CCD相機安裝在入射臂的激光器和起偏器之間的光路上；⑤轉動入射臂，使入射臂的光柵尺傳感器停在左光柵尺的原點，此時入射臂上的左光柵尺的讀數為0，再緩慢旋轉所述的入射臂，所述的CCD相機實時記錄光強，當光強最小時，左光柵尺的讀數為l2，得到入射臂和左光柵尺原點的夾角為θ2，根據光路的幾何關系可推出左光柵尺原點與旋轉臺圓心連線和法線的夾角為2α-θ2，即左光柵尺原點位置與法線的夾角；⑥此時固定入射臂，將控制起偏器的伺服電機復歸機械原點，即伺服電機編碼器讀數為0，伺服電機驅動所述的起偏器緩慢旋轉，所述的CCD相機實時記錄光強，當光強最小或者完全消光時，此時起偏器的通光方向為s方向，此時在控制器調整控制起偏器的伺服電機的原點位置，使得伺服電機編碼器讀數為0時，檢偏器的通光方向為s方向；⑦將入射臂上的CCD相機卸下并裝回所述的反射臂上，將所述的1/4波片、準直器、補償器裝回所述的入射臂，校準結束。本專利技術的技術效果：本專利技術提供了一種成像橢偏儀系統參數的校準方法，校準的系統參數包括起偏器的偏振方向、檢偏器的偏振方向、左右光柵尺的原點位置。本專利技術校準方法過程簡單、準確，重復性高。校準完成后，無需調整系統部件即可直接測量，從而簡化測量過程、提高測量精度。附圖說明圖1為成像橢偏儀的系統示意圖；圖2為本專利技術的成像橢偏儀的系統參數校準方法的光路原理圖；具體實施方式本專利技術用于成像橢偏儀的系統參數校準，其校準的系統參數包括起偏器的偏振方向、檢偏器的偏振方向、左右光柵尺的原點位置。該方法校準的基本原理如下：當入射介質為一般電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種成像橢偏儀系統參數的校準方法，其特征在于該校準方法包括以下步驟：①調整自準直儀14，使自準直儀14的出射光方向通過成像橢偏儀旋轉臺6的圓心，在成像橢偏儀旋轉臺6上沿自準直儀14依次設置偏振分束器15和直角棱鏡16，所述的直角棱鏡16的斜面向右直角邊置于樣品臺上，調整所述的偏振分束器15使所述的自準直儀14出射的光正入射并經偏振分束器15分為互相垂直的o光和e光，o光的偏振方向平行于入射面，e光的偏振方向垂直于入射面，o光經所述的直角棱鏡16的斜面反射，所述的直角棱鏡16的一個小于45°的銳角α擺在右邊，打開激光器1，調整所述的直角棱鏡16，使自準直儀14出射光與激光器1發射的光交于直角棱鏡16斜邊上同一點，自準直儀14出射的o光垂直于直角棱鏡16的直角邊；②轉動反射臂002，使反射臂002的光柵尺傳感器停在右光柵尺17的原點，此時反射臂002上的右光柵尺17的讀數為0，再緩慢旋轉所述的反射臂002，所述的CCD相機9實時記錄光強，當光強最小時，右光柵尺17的讀數為l1，得到反射臂002和右光柵尺17原點的夾角為θ1，根據光路的幾何關系可推出右光柵尺17原點與旋轉臺圓心連線和法線的夾角為2α?θ1，即右光柵尺17原點位置與法線的夾角；③此時固定反射臂002，將控制檢偏器7的伺服電機復歸機械原點，即伺服電機編碼器讀數為0，伺服電機驅動所述的檢偏器7緩慢旋轉，所述的CCD相機9實時記錄光強，當光強最小或者完全消光時，此時檢偏器7的通光方向為s方向，此時在控制器11調整控制檢偏器7的伺服電機的原點位置，使得伺服電機編碼器讀數為0時，檢偏器7的通光方向為s方向；④將入射臂001的1/4波片2、準直器3、補償器5卸下，將所述的直角棱鏡16的斜邊向左擺放，直角棱鏡16的一個小于45°的銳角α擺在左邊，再按上述步驟①調整所述的直角棱鏡16，關閉激光器1，將所述的CCD相機9安裝在入射臂的激光器1和起偏器4之間的光路上；⑤轉動入射臂001，使入射臂001的光柵尺傳感器停在左光柵尺13的原點，此時入射臂001上的左光柵尺13的讀數為0，再緩慢旋轉所述的入射臂001，所述的CCD相機實時記錄光強，當光強最小時，左光柵尺13的讀數為l2，得到入射臂001和左光柵尺13原點的夾角為θ2，根據光路的幾何關系可推出左光柵尺13原點與旋轉臺圓心連線和法線的夾角為2α?θ2，即左光柵尺13原點位置與法線的夾角；⑥此時固定入射臂001，將控制起偏器4的伺服電機復歸機械原點，即伺服電機編碼器讀數為0，伺服電機驅動所述的起偏器4緩慢旋轉，所述的CCD相機9實時記錄光強，當光強最小或者完全消光時，此時起偏器4的通光方向為s方向，此時在控制器11調整控制起偏器4的伺服電機的原點位置，使得伺服電機編碼器讀數為0時，檢偏器4的通光方向為s方向；⑦將入射臂001上的CCD相機9卸下并裝回所述的反射臂002上，將所述的1/4波片2、準直器3、補償器5裝回所述的入射臂001，校準結束。...

【技術特征摘要】
1.一種成像橢偏儀系統參數的校準方法，其特征在于該校準方法包括以下步驟：①調整自準直儀(14)，使自準直儀(14)的出射光方向通過成像橢偏儀旋轉臺(6)的圓心，在成像橢偏儀旋轉臺(6)上沿自準直儀(14)依次設置偏振分束器(15)和直角棱鏡(16)，所述的直角棱鏡(16)的斜面向右直角邊置于樣品臺上，調整所述的偏振分束器(15)使所述的自準直儀(14)出射的光正入射并經偏振分束器(15)分為互相垂直的o光和e光，o光的偏振方向平行于入射面，e光的偏振方向垂直于入射面，o光經所述的直角棱鏡(16)的斜面反射，所述的直角棱鏡(16)的一個小于45°的銳角α擺在右邊，打開激光器(1)，調整所述的直角棱鏡(16)，使自準直儀(14)出射光與激光器1發射的光交于直角棱鏡(16)斜邊上同一點，自準直儀(14)出射的o光垂直于直角棱鏡(16)的直角邊；②轉動反射臂(002)，使反射臂(002)的光柵尺傳感器停在右光柵尺(17)的原點，此時反射臂(002)上的右光柵尺(17)的讀數為0，再緩慢旋轉所述的反射臂(002)，CCD相機(9)實時記錄光強，當光強最小時，右光柵尺(17)的讀數為l1，得到反射臂(002)和右光柵尺(17)原點的夾角為θ1，根據光路的幾何關系可推出右光柵尺(17)原點與旋轉臺圓心連線和法線的夾角為2α-θ1，即右光柵尺(17)原點位置與法線的夾角；③此時固定反射臂(002)，將控制檢偏器(7)的伺服電機復歸機械原點，即伺服電機編碼器讀數為0，伺服電機驅動所述的檢偏器(7)緩慢旋轉，所述的CCD相機(9)實時記錄光強，當光強最小或者完全消光時，此時檢偏器(7)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：曾愛軍，胡仕玉，袁喬，顧帥妍，谷利元，黃惠杰，賀洪波，
申請(專利權)人：中國科學院上海光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：上海;31