CN101915660B

CN101915660B - 具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计

Info

Publication number: CN101915660B
Application number: CN2010102515979A
Authority: CN
Inventors: 艾曼灵; 张梅骄; 金波; 顾培夫; 唐晋发; 黄文标
Original assignee: Keting Optical Tech Co Ltd Hangzhou
Current assignee: Keting Optical Tech Co Ltd Hangzhou
Priority date: 2010-08-10
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: CN101915660A

Abstract

本发明公开一种具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计，其两个照明系统和两个光收集系统分别对称地置于样品台的两侧；光源发射的光线依次经由其中一个照明系统的反射棱镜的一个反射面、第一凹面镜、反射棱镜的另一个反射面反射后由分束镜透射到置于样品台的样品上，分别形成透射光和反射光；样品的反射光返回该照明系统的分束镜上，光线由该分束镜反射后由其中一个光收集系统的第一反射镜接收并依次由第二凹面镜、第二反射镜反射到单色仪中，后进入光电系统；另一个照明系统的分束镜接收样品的透射光并反射到另一个光收集系统的第一反射镜后再依次由第二凹面镜、第二反射镜反射到单色仪，后进入光电系统。本发明可消去光学系统的不对称误差。

Description

具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计

技术领域

本发明涉及一种具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计，主要用于光学元件的反射率和透射率测试。

背景技术

光学薄膜器件的反射率和透射率测量是极其重要的。如果分光光度计能同时精确测量出光学薄膜器件的反射率和透射率，则薄膜器件的光学损耗就可根据能量守恒定律得到，即OL＝1-R-T，式中OL、R、T分别表示薄膜器件的光学损耗、反射率和透射率。遗憾的是反射率的测量远远没有透射率测量那样方便、成熟，一方面反射率测量缺乏象透射率测量那样成熟的技术和仪器，另一方面反射率测量精度远远达不到透射率测量能达到的精度。反射率测量之所以如此困难，主要是因为：1.反射率测量常要用一个标准样品参比，因而引入了宽波段上标准样品的色差和标准样品反射率长期稳定的问题；2.反射测量光路变化非常灵敏，例如，当光线入射角变化φ时，反射角就会变化2φ，因此样品转动和/或移动的精度很容易导致光路发生变化；3.测量光学系统因松动、应变等原因导致其光路随时间的变化，或光学系统中光学元件因老化、灰尘等原因导致其性能下降，这些变化在反射率测量中缺乏自动校准的判据；4.由于反射测量时光路安排的困难，反射率计常设计成光线在一定入射角下测量反射率，如典型的“V-W”型反射率计和“N”型反射率计，这一方面给测量带来了偏振像差对测量精度的影响，而且也无法满足诸如激光反射镜等器件测量光在垂直入射时反射率的需求。正因为这样，光学薄膜器件的反射率精确测量是迄今光度测量中尚未愈越的一个难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计。需要指出的是，本发明的反射率计也可用于测量光学元件的透射率。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：该具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计包括样品台、两个照明系统、两个光收集系统、单色仪和光电系统；所述两个照明系统和两个光收集系统分别对称地置于所述样品台的两侧；所述每个照明系统包括光源、第一可移动挡板、反射棱镜、第一凹面镜和分束镜；每个光收集系统包括第一反射镜、第二凹面镜、第二可移动挡板和第二反射镜；

在其中一个所述照明系统中，所述光源发射的光线在所述第一可移动档板开启时先由所述反射棱镜的其中一个反射面反射到第一凹面镜，再由所述第一凹面镜反射到所述反射棱镜的另一个反射面，然后反射棱镜的该另一个反射面将光线反射到所述分束镜，经该分束镜分出的透射光入射到置于所述样品台的样品上，分别形成透射光和反射光；所述样品的反射光返回该照明系统的分束镜上，光线由该分束镜反射后进入其中一个所述光收集系统中，所述样品的透射光进入另一个所述照明系统中；

在其中一个所述光收集系统中，第一反射镜接收所述分束镜反射的来自于样品的光线，并由该第一反射镜将光线反射到第二凹面镜上，该第二凹面镜在所述第二可移动档板开启时将光线反射到第二反射镜上，该第二反射镜将光线反射到所述的单色仪中，光线由单色仪出射后进入光电系统；

在另一个所述照明系统中，分束镜接收所述样品的透射光并将光线反射到另一个光收集系统中；

在另一个光收集系统中，第一反射镜接收分束镜反射的光线并由该第一反射镜将光线反射到第二凹面镜上，该第二凹面镜在所述第二可移动档板开启时将光线反射到第二反射镜上，该第二反射镜将光线反射到所述的单色仪中，光线由单色仪出射后进入光电系统。

进一步地，本发明的每个所述照明系统还包括一个光吸收体；在每个所述照明系统中，来自于反射棱镜的所述另一个反射面的经由分束镜分出的反射光进入相应的所述光吸收体。

进一步地，本发明所述光电系统包括积分球入瞳、积分球、PBS硫化铅探测器、PMT光电倍增管、探测器控制模块和计算机，所述积分球入瞳、PBS硫化铅探测器和PMT光电倍增管分别固定于所述积分球上，所述探测器控制模块分别与PBS硫化铅探测器、PMT光电倍增管和计算机电连接。

进一步地，本发明所述探测器控制模块包括PMT高压模块、PMT前置信号处理模块、信号选择模块、程控放大模块、AD采集模块、微处理器模块、调制模块、PBS前置信号处理模块和恒温控制模块；所述高压模块、PMT前置信号处理模块、信号选择模块、程控放大模块、AD采集模块、微处理器模块依次电连接；所述微处理器模块分别与调制模块、恒温控制模块电连接；所述PBS前置信号处理模块与信号选择模块电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：针对现有反射率测量中的问题，提出了采用凹面镜和平面镜构成对称测量光路，由于没有采用光学透镜，故在整个测量光谱范围内无色差，从而实现了可见和近红外的宽波段测量；由于采用对称测量光路，因而可以从两个入射方向上同时测量反射率和透射率，样品只需移动，可避免转动引入的样品角度误差；对称测量光路可从两个方向上同时测量透射率和反射率，根据透射率在两个入射方向上的值相等的光学原理，可以作为系统准直校准的判据，并通过步进电机微调第一凹面镜C₁或/和C₁’进行自动校准，保证样品上的入射光是准直光；通过二次测量，可以消去光学系统的不对称性，从而避免两个对称测量光路中因光源和/或每个光学器件的不对称性引入的测量误差；这种对称测量光路还允许反射率测量能象透射率测量那样不用标准样品，而直接用空气(即不放样品)作为透射率100％或/和反射率0％作为参比进行测量和定标；对称测量光路还实现了光线垂直入射到样品上进行测量，克服了反射测量时光路垂直入射安排的困难，这对在一定入射角下测量的反射率计既是一个补充，又避免了非垂直入射反射率计因光的偏振像差对测量精度的影响。

附图说明

图1是本发明具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计的光学原理图；

图2是本发明的光电系统示意图；

图3是本发明的光电系统中探测器控制模块的工作电路原理图；

图4是本发明的样品参数定义示意图，图中(a)为薄膜与基板组合的测试样品，(b)为基板标准样品；

图5是本发明的样品在测试光路中的其中四种放置方式示意图，图中(a)，(d)为薄膜与基板组合的测试样品，光线分别从薄膜侧入射和基板侧入射；(b)，(c)为基板标准样品，光线从不同方向入射；

图6是本发明实测的ZnS薄膜的反射率和透射率分光曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计包括样品台ST、两个照明系统、两个光收集系统、单色仪和光电系统。两个照明系统和两个光收集系统分别对称地置于所述样品台的两侧；每个照明系统包括光源、第一可移动挡板、反射棱镜、第一凹面镜和分束镜；每个光收集系统包括第一反射镜、第二凹面镜、第二可移动挡板和第二反射镜。

在其中一个照明系统中，光源L发射的光线在第一可移动档板S₁开启的情况下(此时第一可移动挡板S₁’关闭)先由反射棱镜P的其中一个反射面反射到第一凹面镜C₁，再由第一凹面镜C₁反射到反射棱镜P的另一个反射面，然后反射棱镜P的该另一个反射面将光线反射到分束镜B，经由该分束镜B的透射光入射到置于样品台ST的样品S上形成反射光和透射光。第一凹面镜C₁和第一凹面镜C₁’的作用是准直，保证入射到样品上的光为准直光。

样品S的反射光返回该照明系统的分束镜B上，该分束镜B将光线反射到其中一个光收集系统中的第一反射镜M₁上，由该第一反射镜M₁将光线反射到第二凹面镜C₂上，该第二凹面镜C₂在第二可移动档板S₂开启的情况下(此时第二可移动挡板S₂’关闭)将光线反射到第二反射镜M₂上，该第二反射镜M₂将光线反射到所述单色仪中，光线由单色仪出射后进入光电系统，最后测得样品的反射率；样品S的透射光进入另一个照明系统中，由另一个照明系统中的分束镜B’反射到另一个光收集系统中的第一反射镜M₁’上，由该第一反射镜M₁’反射到第二凹面镜C₂’上，该第二凹面镜C₂’在第二可移动档板S₂’开启的情况下(此时第二可移动挡板S₂关闭)将光线反射到第二反射镜M₂’上，该第二反射镜M₂’将光线反射到单色仪中，光线由单色仪出射后进入光电系统，最后测得样品的透射率。第二凹面镜C₂、C₂’的作用是聚焦，保证入射到单色仪上的光聚焦光。

同样过程可用光源L’作第二次测量，即相当于改变了在样品上的入射光束的入射方向。

上述整个过程既可用于被测薄膜样品，也可用于标准样品，整个测试过程全部自动。

综上，本发明由于采用对称测量光路，因而可以从两个方向上同时测量反射率和透射率，样品只需移动，避免转动引入的样品角度误差；对称测量光路可从两个方向上同时测量透射率和反射率，根据透射率在两个入射方向上的值相等的光学原理，可以作为系统准直校准的判据，并通过步进电机微调第一凹面镜C₁或/和C₁’进行自动校准，保证样品上的入射光是准直光；通过二次测量，可以消去光学系统的不对称性，从而避免两个对称测量光路中因光源和/或每个光学器件的不对称性引入的测量误差；对称测量光路还允许直接用空气(即不放样品)作为标准进行参比和定标；并实现了光线垂直入射到样品上进行测量，克服了反射测量时光路垂直入射安排的困难。

如果在每个照明系统中增加一个光吸收体，经由每个照明系统的分束镜的反射光(这部分光没有用处)将进入同一个照明系统内的相应光吸收体中(即分束镜B与光吸收体A对应，分束镜B’与光吸收体A’对应)，从而避免分束镜的反射光在本发明的反射率计内部产生杂散光。

作为本发明的一种实施方式，图2给出本发明的光电系统示意图。光电系统包括积分球入瞳1、积分球2、PBS硫化铅探测器3、PMT光电倍增管4、探测器控制模块5和计算机6，积分球入瞳1、PBS硫化铅探测器3和PMT光电倍增管4分别固定于积分球2上，探测器控制模块5分别与PBS硫化铅探测器3、PMT光电倍增管4和计算机6电连接。由单色仪得到的单色光经积分球入瞳1进入积分球2，积分球的大小与探测的光信号强弱密切相关，经过反复试验，采用直径100mm的积分球效果较好。通过积分球内高效的朗伯体多次散射匀光后，其中波长780nm-1500nm的近红外光由PBS硫化铅探测器3接收后转化为电信号，而380nm-780nm的可见光由PMT光电倍增管4接收后转化为电信号，电信号经探测器控制模块5转化为数字信号后送入计算机。

作为本发明的优选方案，图3给出本发明的探测器控制模块示意图。探测器控制模块5包括高压模块5.1、PMT前置信号处理模块5.2、信号选择模块5.3、程控放大模块5.4、AD采集模块5.5、微处理器模块5.6、调制模块5.7、PBS前置信号处理模块5.8和恒温控制模块5.9，高压模块5.1、PMT前置信号处理模块5.2、信号选择模块5.3、程控放大模块5.4、AD采集模块5.5和微处理器模块5.6依次电连接；微处理器模块5.6分别与调制模块5.7和恒温控制模块5.9电连接；AD采集模块5.5与调制模块5.7电连接；PBS前置信号处理模块5.8与信号选择模块5.3电连接。

探测器电路与控制过程如下所述，恒温控制模块5.9的型号可为HTK201，通过其脚A2、A3受控于型号为MSP201的微处理器模块5.6，从而精确地控制PBS硫化铅探测器3的工作温度与偏压恒定，PBS硫化铅探测器3产生的信号送往型号为AMP202的PBS前置信号处理模块5.8进行放大，放大的信号经脚OUT2输入型号为XHK201的信号选择模块5.3。微处理器模块5.6通过脚A0、A1控制型号为WG956的高压模块5.1的高压幅值与通断，从而精确地控制PMT光电倍增管4的工作高压。PMT光电倍增管产生的信号送往型号为APM201的PMT前置信号处理模块5.2进行放大，放大的信号经脚OUT1输入型号为XHK201的信号选择模块5.3。信号选择模块通过D6、D7由微处理器模块5.6控制选择，三路有效输入信号为IN1(PMT)、IN2(PBS)、IN3(GND)，当选择IN3时所采集的数据可对电路进行调零。型号为CKA201的程控放大模块5.4含6路控制线D(0～5)，程控增益分别为1、2、4、8、16、32、64、128、256，通过对主信号的程控增益，从而提高型号为AD201的AD采集模块5.5的采集精度。微处理器模块5.6通过数据线D(0～7)改写AD采集速率，默认为40μs/次。AD采集模块5.5采集的数据直接送往微处理器模块5.6的P5口，该处理器为16位RISC指令集MCU结构，接收采集数据并进行数字抗干扰滤波及处理，处理后的数据(16进制)再进行BCD码转化及压缩，所得单数据为3个字节，通过RS232口5.10送往计算机6进行处理。

图4是本发明的样品参数定义示意图，图4中，(a)为薄膜7与基板8组合的测试样品，(b)为标准样品，即基板8。图中，R_FF和R_FS分别表示光从薄膜或基板侧入射时薄膜与基板组合的反射率，T_FF和T_FS分别表示光从薄膜或基板侧入射时薄膜与基板组合的透射率；R_S和R_A分别表示薄膜在基板侧和空气侧的反射率，T_F表示单纯薄膜的透射率；R₁、R₂和T₁、T₂分别是标准样品的反射率和透射率，其理论值可根据基板折射率计算得到，下标1，2指入射方向。

图5是本发明的样品在测试光路中其中四种放置方式示意图，图5中，(a)和(d)为薄膜7与基板8组合的测试样品，光线分别从薄膜侧入射和基板侧入射；(b)和(c)为标准样品，即基板8，光线分别从两个相反方向入射；还有一种放置方式是没有样品的情况，即以空气作为参比，作为0和100％的信号幅值标准。样品台ST通过步进电机适当移动可以实现以上五种方式，表1给出这五种方式的光强信号采样结果，即I₁～I₂₀。表1中，Φ_L、Φ_R分别表示入射到样品上的来自左、右两只光源L和L’的光通量；k_L、k_R分别表示左、右二个采集光路的透射因子；“→反射”和“→透射”分别表示光从样品左侧入射、右侧出射时的反射测量和透射测量，而“←反射”和“←透射”分别表示光从样品右侧入射、左侧出射时的反射测量和透射测量。

表1

光入射方向	→反射	←透射	→透射	←反射
					图5中(a)	I₁＝Φ_Lk_LR_FF	I₂＝Φ_Rk_LR_FS	I₃＝Φ_Lk_RR_FF	I₄＝Φ_Rk_RR_FS
图5中(b)	I₅＝Φ_Lk_LR₁	I₆＝Φ_Rk_LR₂	I₇＝Φ_Lk_RR₁	I₈＝Φ_Rk_RR₂
					图5中(c)	I₉＝Φ_Lk_LR₂	I₁₀＝Φ_Rk_LR₁	I₁₁＝Φ_Lk_RR₂	I₁₂＝Φ_Rk_RR₁
图5中(d)	I₁₃＝Φ_Lk_LR_FS	I₁₄＝Φ_Rk_LR_FF	I₁₅＝Φ_Lk_RR_FS	I₁₆＝Φ_Rk_RR_FF
					空气作为参比	I₁₇＝0	I₁₈＝100％	I₁₉＝100％	I₂₀＝0

由光学原理可知，任何样品在两个方向上的透射率必定相等，且对标准样品有R₁＝R₂，故可根据表1测得的结果求得从薄膜或基板侧入射时薄膜和基板组合的反射率R_FF和R_FS以及透射率T_FF或T_FS，计算公式为：

R_{FF} = R_{1} \sqrt{\frac{4 I_{1} \cdot I_{16}}{(I_{6} + I_{10}) (I_{7} + I_{11})}}

R_{FS} = R_{2} \sqrt{\frac{4 I_{4} \cdot I_{13}}{(I_{6} + I_{10}) (I_{7} + I_{11})}}

T_FF＝T_FS＝T₁/2·[(I₂+I₁₄)/(I₆+I₁₀)+(I₃+I₁₅)/(I₇+I₁₁)]

由上式可以看出，光强信号采样结果代入公式后，Φ_L、Φ_R和k_L、k_R因子均被消去，这就是本发明反射率计采用对称光路二次测量可消除不对称误差的原因所在。

进而，由上述薄膜和基板组合的反射率R_FF，R_FS和透射率T_FF(或T_FS)，可得单纯薄膜的反射率R_S、R_A和透射率T_F为：

R_{S} = (R_{FS} - R_{1}) / (T_{1}^{2} + R_{1} (R_{FS} - R_{1}))

T_F＝T_FF(1-R_SR₁)/T₁

R_{A} = R_{FF} - (R_{1} \cdot T_{F}^{2}) / (1 - R_{S} \cdot R_{1})

图6给出本发明实测的ZnS薄膜的反射率和透射率分光曲线，测试波长从380nm到1000nm，ZnS膜的光学厚度为600nm，基板为K₉玻璃。图6中波长780nm附近的曲线波动是硫化铅探测器更换为光电倍增管引起的。根据ZnS薄膜和K₉玻璃基板组合的透射率T_FF(T_FS)曲线9、光从ZnS薄膜侧入射时ZnS薄膜和K₉玻璃基板组合的反射率R_FF曲线10和光从K₉玻璃基板侧入射时ZnS薄膜和K₉玻璃基板组合的反射率R_FS曲线11的测量数据，由能量守恒R+T+OL＝1，可求出光从ZnS薄膜侧入射时ZnS薄膜和K₉玻璃基板组合的光学损耗和光从K₉玻璃基板侧入射时ZnS薄膜和K₉玻璃基板组合的光学损耗。例如对波长400nm，光从ZnS薄膜侧入射时ZnS薄膜和K₉玻璃基板组合的反射率R_FF和透射率T_FF分别为26.05％和67.38％，故光从ZnS薄膜侧入射时ZnS薄膜和K₉玻璃基板组合的光学损耗为6.57％；光从K₉玻璃基板侧入射时ZnS薄膜和K₉玻璃基板组合的反射率R_FS和透射率T_FS分别为24.11％和67.38％，故光从K₉玻璃基板侧入射时ZnS薄膜和K₉玻璃基板组合的光学损耗8.51％。这种光学损耗直到波长500nm才接近零。根据测量数据，还可以求出单纯ZnS薄膜在K₉玻璃基板侧和空气侧的反射率R_S和R_A以及单纯ZnS薄膜的透射率T_F。

实际测量表明，本发明的反射率计能够达到的反射率和透射率测量精度均为0.1％，这不仅同时为精确测量反射率和透射率提供了一种可行的技术，而且为光学损耗大于0.2％的样品测量损耗提供了一种方便的方法。

Claims

1.一种具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计,其特征在于：包括样品台、两个照明系统、两个光收集系统、单色仪和光电系统；所述两个照明系统对称地置于所述样品台的两侧且两个光收集系统对称地置于所述样品台的两侧；所述每个照明系统包括光源、第一可移动挡板、反射棱镜、第一凹面镜和分束镜；每个光收集系统包括第一反射镜、第二凹面镜、第二可移动挡板和第二反射镜；

在其中一个所述照明系统中，所述光源发射的光线在所述第一可移动档板开启时先由所述反射棱镜的其中一个反射面反射到第一凹面镜，再由所述第一凹面镜反射到所述反射棱镜的另一个反射面，然后反射棱镜的该另一个反射面将光线反射到所述分束镜，经该分束镜分出的透射光入射到置于所述样品台的样品上,分别形成透射光和反射光；所述样品的反射光返回该照明系统的分束镜上，光线由该分束镜反射后进入其中一个所述光收集系统中，所述样品的透射光进入另一个所述照明系统中；

2.根据权利要求1所述的一种具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计, 其特征在于：每个所述照明系统还包括一个光吸收体；在每个所述照明系统中，来自于反射棱镜的所述另一个反射面的经由分束镜分出的反射光进入相应的所述光吸收体。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计, 其特征在于：所述光电系统包括积分球入瞳、积分球、PBS硫化铅探测器、PMT光电倍增管、探测器控制模块和计算机，所述积分球入瞳、PBS硫化铅探测器和PMT光电倍增管分别固定于所述积分球上，所述探测器控制模块分别与PBS硫化铅探测器、PMT光电倍增管和计算机电连接。

4.根据权利要求3所述的一种具有对称性和自校准的垂直入射薄膜反射率计, 其特征在于：所述探测器控制模块包括PMT高压模块、PMT前置信号处理模块、信号选择模块、程控放大模块、AD采集模块、微处理器模块、调制模块、PBS前置信号处理模块和恒温控制模块；所述高压模块、PMT前置信号处理模块、信号选择模块、程控放大模块、AD采集模块、微处理器模块依次电连接；所述微处理器模块分别与调制模块、恒温控制模块电连接；所述PBS前置信号处理模块与信号选择模块电连接。