非垂直自动聚焦系统以及相应的光学仪器技术方案

本公开的各实施例涉及一种非垂直式自动聚焦系统以及相应的光学仪器，该非垂直式自动聚焦系统包括光源；入射模块，被配置为接收从所述光源发射的光，并且将所接收的光聚焦到样品上；出射模块，被配置为接收从所述样品反射的光，并且将所接收的光聚焦到光探测器的靶面上；以及光探测器，被配置为将聚焦于所述靶面的光信号转换电信号，并且用于计算处理，以自动计算并确定出所述入射模块的焦点位置的信息；其中，从所述入射模块到所述样品的入射光路和从所述样品到所述出射模块的出射光路与所述样品的表面法线的夹角均不等于零。本公开的非垂直式自动聚焦系统有利地扩展了现有光学仪器的设计空间，并且实现了透明样品的准确聚焦。

Non vertical auto focusing system and corresponding optical instrument

The disclosed embodiments relate to a non vertical type automatic focusing system and corresponding optical instruments, the non vertical type automatic focusing system comprises a light source; the incident module is configured to receive the light emitted from the light source, and that will be the focus of the received light to the sample; the exit module is configured to received from the light reflected by the sample, and to focus light light detector target received; and the optical detector is configured to focus on the target surface, light signals into electrical signals, and for computing, to automatically calculate and determine the focus position of the incident module. Among them, the information; incident light path of the sample from the input module and from the sample to the exit module of the angle between surface normal optical path and the samples are not equal to zero. The open non vertical auto focusing system greatly expands the design space of the existing optical instruments and realizes the accurate focus of the transparent samples.

【技术实现步骤摘要】
非垂直自动聚焦系统以及相应的光学仪器
本专利技术的各实施例涉及光学领域，更具体地涉及一种非垂直自动聚焦系统以及相应的光学仪器，其中光学仪器特别地包括光谱椭偏仪(SpectroscopicEllipsometry，SE)。
技术介绍
作为包括聚焦系统的光学仪器的示例，光谱椭偏仪是一种用于检测薄膜厚度、光学常数(折射率n，消光系数k)以及材料微结构的光学测量设备。由于具有无损、非接触、不需要真空、无需参照样品等特点，使得光谱椭偏仪在半导体芯片制造、光学镀膜和材料分析等领域都有广泛应用。为了缩短检测时间，光谱椭偏仪都带有一套自动聚焦(AutoFocus，AF)系统实现样品的快速定位。自动聚焦系统是一种将力、热、光、电或声等信号转化为电信号进行处理后自动计算并确定出焦点位置的系统。用于光谱椭偏仪的自动聚焦系统一般都采用反射式光路系统，即光源发出的光经过入射模块聚焦到样品表面反射后再经过出射模块最终被光探测器接收。目前，在用于光谱椭偏仪的自动聚焦系统其入射光路和出射光路都垂直于样品表面(即入射光路和出射光路重合)，且都选用高倍大数值孔径的显微物镜作为聚焦和准直透镜。然而，有些情况下，样品垂直方向并没有空间来布局这种垂直式的自动聚焦系统，以及测量透明样品时样品第二个面的反射光可能会影响测量结果，进而无法正确聚焦到焦点位置。因此，基于以上问题提出一种新型的自动聚焦光学系统。
技术实现思路
本公开的目的在于提供一种新型的非垂直式自动聚焦系统(Non-VerticalAutoFocus，NVAF)，从而至少能够克服或者缓解现有技术中所存在的空间布局的技术问题，以及测量透明样品时无法正确聚焦的现实问题。根据本公开的第一方面，提供了一种非垂直式自动聚焦系统，其包括光源；入射模块，被配置为接收从所述光源发射的光，并且将所接收的光聚焦到样品上；出射模块，被配置为接收从所述样品反射的光，并且将所接收的光聚焦到光探测器的靶面上；以及光探测器，被配置为将聚焦于所述靶面的光信号转换电信号，并且用于计算处理，以自动计算并确定出所述入射模块的焦点位置的信息；其中，从所述入射模块到样品的入射光路和从样品到出射模块的出射光路与所述样品的表面法线的夹角均不等于零。通过利用上述入射模块的焦点位置的信息或者相对于入射模块的焦点位置的样品位置信息，本公开的自动聚焦系统可以调整入射模块的焦点位置至样品表面或者驱动样品表面至所述焦点位置，从而实现自动聚焦功能，且由于从入射模块到样品的入射光路和从样品到出射模块的出射光路与样品的表面法线的夹角均不等于零，则该非垂直式自动聚焦系统的空间布局相对于现有技术的空间布局有所改善，且能实现透明样品的准确聚焦。在利用光纤引导式光源时，由光纤传导出的光源可以经过小孔与准直透镜准直成平行光，而后经过聚焦透镜聚焦于样品表面；经过样品表面反射后的光再经过准直透镜准直后经聚焦透镜聚焦于四象限探测器靶面；而在利用平行光出射式光源(诸如激光器)时，可以使用扩束透镜和准直透镜将光聚焦于样品表面，而后经由成像透镜成像于位置探测器的靶面上，这种光路设计能更好地实现光路的调整，且便于机械安装固定激光器，实现简洁紧凑的仪器结构。需要说明的是，本文所涉及的包括准直透镜、聚焦透镜、扩束透镜、成像透镜等的透镜可以是实现相同功能的单个透镜或者透镜组。除非另外说明，本公开中所提及的准直透镜和聚焦透镜均分别涵盖单个透镜和包括多个透镜的透镜组二者。根据本公开的第二方面，上述非垂直式自动聚焦系统可以应用于光学仪器、特别是光谱椭偏仪中。本公开的包括该非垂直式自动聚焦系统的光学仪器(诸如光谱椭偏仪)相对于现有聚焦系统而言可以具有更加宽泛的设计空间和布局。附图说明在附图中，相似/相同的附图标记通常贯穿不同视图而指代相似/相同的部分。附图并不必按比例绘制，而是通常强调对本专利技术的原理的图示。在附图中：图1示意性地示出了根据本公开的各实施例的非垂直式自动聚焦系统的光路原理图；图2示意性地示出了根据本公开的非垂直式自动聚焦系统的第一实施例的布局图；图3A示意性地示出了根据本公开的第一实施例的样品处于焦点位置时四象限探测器上的光强分布；图3B示意性地示出了根据本公开的第一实施例的样品偏离焦点位置时四象限探测器上的光强分布；图4示意性地示出了根据本公开的非垂直式自动聚焦系统的第二实施例的布局图；图5A示意性地示出了根据本公开的第二实施例的样品处于焦点位置时位置探测器上的光斑位置；以及图5B示意性地示出了根据本公开的第二实施例的样品偏离焦点位置时位置探测器上的光斑位置。具体实施例以下将参考附图对本公开的各个实施例进行详细描述。实施例的一个或多个示例由附图所示出。实施例通过本公开的阐述所提供，并且不旨在作为对本公开的限制。例如，作为一个实施例的一部分所示出或描述的特征可能在另一个实施例中被使用以生成又一进一步的实施例。本公开旨在包括属于本公开范围和精神的这些和其他修改和变化。此外，在本公开中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。对于附图，方向性的术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等，是参照所描述的附图的方位而使用的。由于本公开的实施例的组件能够被以多种方式实施，这些方向性术语是用于说明的目的，而不是限制的目的。因此，以下的具体实施例并不是作为限制的意义，并且本公开的范围由所附的权利要求书所限定。图1示意性地示出了根据本公开的各实施例的非垂直式自动聚焦系统的光路原理图。本公开的非垂直式自动聚焦系统可以特别地应用于诸如光谱椭偏仪的光学仪器中，从而向光学仪器提供改进的设计空间或布局。如图1所示，非垂直式自动聚焦系统主要包括光源10、入射模块20、出射模块30和光探测器40四个部分。光源10，取决于设计需求和实际情况，可以是宽光谱光源，也可以是诸如单波长光源的窄光谱光源。如果按照光源的出射方式分类，光源10也可以是光纤引导式光源或者平行出射式光源。其中，光纤引导式光源，即光源由光纤导出；在非垂直式自动聚焦系统应用于诸如光谱椭偏仪的光学仪器的情况中，该光纤引导式光源可以取自光谱椭偏仪自带的光源(诸如氙灯光源)并由光纤导出；而平行出射式光源可以例如是激光器。入射模块20，被配置为接收从光源10发射的光，并且将所接收的光聚焦到样品S上。例如，入射模块20可以将光源10出射的光准直成平行光而后再聚焦于样品表面或被测面。入射模块所起的作用是将光源发出的光经过准直和/或聚焦于样品的被测面。入射模块的设计根据光源的实际情况有所不同。如果光源为光纤引导式光源，诸如来自氙灯光源或者耦合有光纤的激光器，则入射模块可以由小孔、准直透镜和聚焦透镜组成；如果光源为诸如激光器的平行出射式光源，则入射模块可以包括扩束透镜和聚焦透镜。出射模块30，被配置为接收从样品S反射的光，并且将所接收的光聚焦或成像到光探测器40的靶面上。例如，出射模块30可以将样品表面或被测面反射后的光最终聚焦于光探测器40的靶面上。出射模块因光探测器工作模式的不同而有所差异。光探测器主要有两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非垂直式自动聚焦系统，其特征在于，包括：光源(10)；入射模块(20)，被配置为接收从所述光源发射的光，并且将所接收的光聚焦到样品(S)上；出射模块(30)，被配置为接收从所述样品反射的光，并且将所接收的光聚焦到光探测器(40)的靶面上；以及所述光探测器(40)，被配置为将聚焦于所述靶面的光信号转换电信号，并且用于计算处理，以自动计算并确定出所述入射模块的焦点位置的信息；其中，从所述入射模块到所述样品的入射光路和从所述样品到所述出射模块的出射光路与所述样品的表面法线的夹角均不等于零。

【技术特征摘要】
1.一种非垂直式自动聚焦系统，其特征在于，包括：光源(10)；入射模块(20)，被配置为接收从所述光源发射的光，并且将所接收的光聚焦到样品(S)上；出射模块(30)，被配置为接收从所述样品反射的光，并且将所接收的光聚焦到光探测器(40)的靶面上；以及所述光探测器(40)，被配置为将聚焦于所述靶面的光信号转换电信号，并且用于计算处理，以自动计算并确定出所述入射模块的焦点位置的信息；其中，从所述入射模块到所述样品的入射光路和从所述样品到所述出射模块的出射光路与所述样品的表面法线的夹角均不等于零。2.根据权利要求1所述的非垂直式自动聚焦系统，其中当所述光源为光纤引导式光源(101)时，所述入射模块包括小孔(201)、准直透镜(202)和聚焦透镜(203)。3.根据权利要求1所述的非垂直式自动聚焦系统，其中当所述光源为平行出射式光源...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立峰，高海军，陈星，
申请(专利权)人：睿励科学仪器上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31