一种探测反射光束角度变化的装置、方法及膜厚测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种探测反射光束角度变化的装置、方法及膜厚测量装置，该装置包括探测光源，用于产生偏振态的入射光束；至少一光隔离器，用于接受入射光束形成偏振入射光束透射至光束调整模块，偏振入射光束平行于第一入射光束；还用于接收经光束调整模块调整后反射光束形成偏振反射光束并与入射光束的传输方向呈相对分开角度射出；光束调整模块，用于调整偏振入射光束的场强分布并使其射入待测体表面；还用于接收自身视场范围内准直反射光束并进一步调整反射光束场强分布使其射入光隔离器。本发明专利技术利用双折射晶体和法拉第旋光片分离探测光的入射光束和出射光束，并在入射光路上设置瞳面，对瞳面进行分割，提高探测器信噪比，该装置结构简单，易于工程实现。

【技术实现步骤摘要】
一种探测反射光束角度变化的装置、方法及膜厚测量装置
本专利技术属于声光量测系统，主要用于检测金属膜、介质膜的测量，具体来说，涉及一种探测反射光变化的装置及方法。
技术介绍
目前现有技术中的声光量测主要基于如下：短脉冲激光照射在膜样品表面，待测膜2吸收光子产生热弹性变形，表面形成形变区；热弹性变形产生声波在固体表面及内部传播；纵向声波传播到界面(基底或膜与膜的交界)处产生第一次回声信号；第一次回声信号到达上表面，使形变形貌进一步发生变化；回声信号碰到上表面后又回弹，回弹碰到界面后产生第二次回声信号；第二次回声信号到达上表面，使鼓包形貌再次发生变化，如图1中的设计意图中所示，当然回声信号也可能包括三次以上。通过光探测器获取由形貌变化导致的入射光束的反射率变化，从而可获取两次反射率变化时间间隔，由此可计算得到膜待测膜2厚度值。而在具体的测量装置设置上，如图2中所示，猝发单元1入射到待测膜2的表面产生形变区4，将入射探测光5a打在形变区4上，由于回声回传时膜层表面的形变区形貌会发生变化，由于会导致形变区在回声信号的到达之时所产生的进一步形变会对反射探测光5b产生影响，这种影响配合接收端的光学元件的使用，可能是幅度或者相位等各种影响，一般来说，探测模块6获取形貌变化导致的光反射幅度的变化，从而可获取的光信号幅度变化的时间间隔，通过膜厚计算公式得到膜厚值，如图2和图3的示意图中所示，由此，探测反射探测光5b的变化对提高光声探测装置精度的影响尤其重要。如图4中所示，为现有技术中的一种分析反射探测光的技术，经过形变区4区域反射的探测光5b会被第一反射镜6c反射一半尺寸的圆形光斑(反射镜6c的位置设置尤其重要，其对反射光的反射光斑场强有筛选作用)，这部分会继续被第二反射镜6d反射至第二探测器6a中，而未被第一反射镜6c反射的另一半尺寸的圆形光斑会直接进入到第一探测器6b中。其中第一反射镜6c是被电机调整到目标位置，在无激发形变时第一探测器6a与第二探测器6b接收到的光具有确定的光强比例，如1：1，但是当形变4区域发生激发形变产生回声震荡，反射探测光5b会发生时间相关性的微小角度变化，此时由于第一反射镜6c对光斑场强的分割作用不再是存在设定比例的关系，由于这种微小的角度变化导致此时探测器6a和6b的光强读数发生变化，通过多次实验可模拟计算反射探测光5b角度的变化与两者光强读数变化的影响，进而可以计算反射探测光5b角度的变化和光强的变化之间的关系，通过测得多次回声信号时间差便可计算出膜厚值。但是，在上述的技术方案中，存在如下的问题：第一方面的问题是所应用光学系统的第一反射镜6c位置调整精度要求极高，并且对其稳定性也要求极高，该光学元件承担了对光线光斑场强分光的作用，对光路准直性和稳定性的要求较高，光路组装较为困难；第二方面是体现在光路的复杂性上，分别需要组装第一反射镜6c和第二反射镜6d，并且为满足一定角度内入射的光线都能够被有效反射折射，两者之间的平行准直和场强交错也需要被精确调整和设计，同时在检测出射光端还需要2个探测器，光学元件的使用增多也会导致成本增加；第三方面体现在探测精度上，由于对光路采用了分光，使得透射反射光进一步损耗，在反射探测光由于形变区造成的入射角度偏差所造成的光斑能量分解的变化率更难被检测，由此探测信噪比低，约为百万分之一，并且对入射光束腰发散角要求极高。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出了一种探测反射光束角度变化的装置及方法，利用双折射晶体和法拉第旋光片分离探测光的入射光束和出射光束，并在探测光的入射光束上设置瞳面，对瞳面进行分割，提高探测器信噪比，结构简单，易于工程实现，减少探测器数量，降低成本。为实现上述目的，本专利技术第一方面提供一种探测反射光束变化的装置，包括：探测光源，产生具有至少一种偏振态的第一入射光束；光隔离器，用于接受第一入射光束形成至少一束偏振入射光束透射至光束调整模块，所述偏振入射光束平行于所述第一入射光束；还用于接收经光束调整模块调整后反射光束形成至少一束偏振反射光束并与所述入射光束的传输方向呈相对分开角度射出；光束调整模块，设置于所述光隔离器远离所述探测光源的一侧，用于调整所述偏振入射光束的场强分布并使其射入待测体表面；还用于接收自身视场范围内准直反射光束并进一步调整所述反射光束场强分布使其射入所述光隔离器；至少一探测器，用于探测通过所述光隔离器后的偏振反射光束以获取所述偏振反射光束的光强；解析装置，用于对所述偏振反射光束时间相关性光强变化信息进行解析。进一步地，所述光隔离器沿所述第一入射光束传输方向包括第一双折射晶体、法拉第旋光片、第二双折射晶体，所述法拉第旋光片外围设置有可变磁场施加元件；所述第一双折射晶体和所述第二双折射晶体为相同尺寸的楔形双折射晶体；所述第一入射光束经由所述第一双折射晶体形成为至少一束偏振态光束，其中至少一束偏振入射光束经所述法拉第旋光片和所述第二双折射晶体后透射至所述光束调整模块。进一步地，所述光束调整模块包括：至少一光瞳分割器，设置于所述光隔离器远离所述探测光源的一侧，包括第一表面和第二表面，用于将所述偏振入射光束场强进行分割使其在所述光瞳分割器第一表面形成为第一场强分布；还用于调整通过准直光学元件后的反射光束使其在所述光瞳分割器第二表面形成为第四场强分布；至少一准直光学元件，设置于靠近所述光瞳分割器的所述第一表面的一侧，用于将通过所述光瞳分割器后的入射光束聚焦至待测体表面形成为第二场强分布；还用于接收自身视场范围内准直反射光束于所述光瞳分割器的第一表面形成为第三场强分布。进一步地，所述第三场强分布产生的图案特征与所述第一场强分布产生的图案特征相近。进一步地，所述光瞳分割器设置有多个不同类型通光部的结构，所述不同类型通光部具有光通量的差别，以使得所述偏振入射光束或反射光束的场强被所述多个不同类型通光部的结构扰动分割。进一步地，所述光瞳分割器设置有多个通光部和多个约束通光部的结构，以使得所述偏振入射光束或反射光束的场强被所述多个通光部和多个约束通光部的结构扰动分割。本专利技术第二方面提供一种探测反射光束变化的方法，所述方法包括：提供具有至少一种偏振态的第一入射光束，在所述第一入射光束传输路径上侧依次设置光隔离器和光束调整模块；所述入射光束通过所述光隔离器形成至少一束偏振入射光束透射至光束调整模块，所述偏振入射光束平行于所述第一入射光束；使用所述光束调整模块调整所述偏振入射光束的场强分布并使其射入待测体表面；使用所述光束调整模块接收自身视场范围内准直反射光束并进一步调整所述反射光束场强分布使其射入所述光隔离器；所述反射光束经过所述光隔离器后形成至少一束偏振反射光束并与所述入射光束的传输方向呈相对分开角度射出；解析所述第一入射光束通过所述待测体反射后的反射光束时间相关性光强变化获得反射光束变化信息。进一步地，所述光束调整模块包括至少一光瞳分割器和至少一准直光学元件；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种探测反射光束变化的装置，其特征在于，包括：/n探测光源，产生具有至少一种偏振态的第一入射光束(5a)；/n光隔离器(7)，用于接受第一入射光束(5a)形成至少一束偏振入射光束(5a’)透射至光束调整模块，所述偏振入射光束(5a’)平行于所述第一入射光束(5a)；还用于接收经光束调整模块调整后反射光束(5b)形成至少一束偏振反射光束(5b’)并与所述入射光束(5a)的传输方向呈相对分开角度射出；/n光束调整模块，设置于所述光隔离器(7)远离所述探测光源的一侧，用于调整所述偏振入射光束(5a’)的场强分布并使其射入待测体(4)表面；还用于接收自身视场范围内准直反射光束(5b)并进一步调整所述反射光束(5b)场强分布使其射入所述光隔离器(7)；/n至少一探测器(11)，用于探测通过所述光隔离器(7)后的偏振反射光束(5b’)以获取所述偏振反射光束(5b’)的光强；/n解析装置，用于对所述偏振反射光束(5b’)时间相关性光强变化信息进行解析。/n

【技术特征摘要】
1.一种探测反射光束变化的装置，其特征在于，包括：
探测光源，产生具有至少一种偏振态的第一入射光束(5a)；
光隔离器(7)，用于接受第一入射光束(5a)形成至少一束偏振入射光束(5a’)透射至光束调整模块，所述偏振入射光束(5a’)平行于所述第一入射光束(5a)；还用于接收经光束调整模块调整后反射光束(5b)形成至少一束偏振反射光束(5b’)并与所述入射光束(5a)的传输方向呈相对分开角度射出；
光束调整模块，设置于所述光隔离器(7)远离所述探测光源的一侧，用于调整所述偏振入射光束(5a’)的场强分布并使其射入待测体(4)表面；还用于接收自身视场范围内准直反射光束(5b)并进一步调整所述反射光束(5b)场强分布使其射入所述光隔离器(7)；
至少一探测器(11)，用于探测通过所述光隔离器(7)后的偏振反射光束(5b’)以获取所述偏振反射光束(5b’)的光强；
解析装置，用于对所述偏振反射光束(5b’)时间相关性光强变化信息进行解析。


2.根据权利要求1所述的探测反射光束变化的装置，其特征在于，所述光隔离器(7)沿所述第一入射光束(5a)传输方向包括第一双折射晶体(7a)、法拉第旋光片(7b)、第二双折射晶体(7c)，所述法拉第旋光片(7b)外围设置有可变磁场施加元件(7d)；
所述第一双折射晶体(7a)和所述第二双折射晶体(7c)为相同尺寸的楔形双折射晶体；
所述第一入射光束(5a)经由所述第一双折射晶体(7a)形成为至少一束偏振态光束，其中至少一束偏振入射光束(5a’)经所述法拉第旋光片(7b)和所述第二双折射晶体(7c)后透射至所述光束调整模块。


3.根据权利要求2所述的探测反射光束变化的装置，其特征在于，所述光束调整模块包括：
至少一光瞳分割器(8)，设置于所述光隔离器(7)远离所述探测光源的一侧，包括第一表面和第二表面，用于将所述偏振入射光束(5a’)场强进行分割使其在所述光瞳分割器(8)第一表面形成为第一场强分布；还用于调整通过准直光学元件(9)后的反射光束(5b)使其在所述光瞳分割器(8)第二表面形成为第四场强分布；
至少一准直光学元件(9)，设置于靠近所述光瞳分割器(8)的所述第一表面的一侧，用于将通过所述光瞳分割器(8)后的入射光束(5a’)聚焦至待测体(4)表面形成为第二场强分布；还用于接收自身视场范围内准直反射光束(5b)于所述光瞳分割器(8)的第一表面形成为第三场强分布。


4.根据权利要求3所述的探测反射光束变化的装置，其特征在于，所述第三场强分布产生的图案特征与所述第一场强分布产生的图案特征相近。


5.根据权利要求3所述的探测反射光束变化的装置，其特征在于，所述光瞳分割器(8)设置有多个不同类型通光部的结构，所述不同类型通光部具有光通量的差别，以使得所述偏振入射光束(5a’)或反射光束(5b)的场强被所述多个不同类型通光部的结构扰动分割。


6.根据权利要求3所述的探测反射光束变化的装置，其特征在于，所述光瞳分割器(8)设置有多个通光部和多个约束通光部的结构，以使得所述偏振入射光束(5a’)或反射光束(5b)的场强被所述多个通光部和...

【专利技术属性】
技术研发人员：王奇，李仲禹，王政，
申请(专利权)人：上海精测半导体技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31