CN102564588A - 采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪及光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪及光学测量系统。该垂直入射宽带光谱仪包括：光源、光纤束、光探测器，光纤束包括入射光纤子束、出射光纤子束；入射光纤子束具有第一端口组和第二端口组，出射光纤子束具有第三端口组和第四端口组，入射光纤子束的第二端口组和出射光纤子束的第三端口组在同一横截面上。本发明垂直入射宽带光谱仪的光通量效率可达50%，远远高于传统的采用分光器的光谱仪。

Description

采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪及光学测量系统

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪及光学测量系统。

背景技术

随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术来快速精确地检测半导体薄膜的厚度和材料特性是控制生产过程，提高生产率的关键环节。主要应用于集成电路、平板显示器、硬盘、太阳能电池、LED等包含薄膜结构的工业中。不同材料构成的多层薄膜在不同波长对入射光具有不同的反射率，其反射光谱具有独特性。当今先进的薄膜结构测量设备，如椭圆偏振仪要求满足尽量宽的光谱测量能力以增加测量精确度，通常为190nm至1000nm。在薄膜结构已知的情况下，薄膜反射光谱可通过数学模型计算得出。当存在未知结构参数时，例如薄膜厚度，薄膜光学常数，表面条纹等，可通过回归分析，拟合测量与模拟计算光谱，从而得出未知结构参数。

测量设备通常分为相对于样品表面垂直入射的光学系统和相对于样品表面倾斜入射的光学系统。垂直入射的光学系统由于结构更加紧凑，通常可与其他工艺设备集成，实现生产与测量的整合及实时监测。现有技术中，垂直入射光谱仪的光学系统主要通过分光器，将探测光束与样品反射光束分离，使样品反射光束无法逆向返回光源，而独立入射至探测器。图1为现有技术利用分光器进行光束分离的光谱仪。如图1所示，该光谱仪中，光源101出射发散光经透镜102后，平行入射透射通过分光器103，经透镜104会聚后聚焦至样品105表面；样品105表面的反射光经透镜104反射后，垂直入射分光器103；经反射后经透镜106会聚，入射至探测器107，获得样品表面的反射光谱。

采用分光器的光谱仪存在的主要问题为：1)光通量低，整个测量个过程中，光束由光源需经同一分光器透射和反射各一次，进入探测器。所能达到的最大光通量比率为25％，即分光器为透射率和反射率各50％；2)若同时实现高质量光斑及较宽的光谱范围，则系统复杂度较高，且成本较高。详细分析如下：

A)在分光器为分光薄片的情况下，分光薄片与光束主光需成45度角使用，如美国专利US6900900B2所示。此结构的缺点为：在宽波段光束透射情况下，当光束为平行光束时，会产生色差；此问题可通过另设置完全相同的分光薄片修正色差，但增加了系统复杂度，且降低了光通量。另一种基于分光薄片的分光器为点格分光镜(Polka-dot Beamsplitter)(如美国专利5450240、EdmundOptics点格分光镜)或厚度仅为100微米的点格分光镜(如美国专利US6525884B2)，其结构的特点为：反射光束可实现宽光谱(包括深紫外范围)，且自身无色散；但其表面点格的周期性结构会造成衍射光斑，极大的影响了测量的准确度；

B)在分光器为分光棱镜的情况下(如美国专利US6181427B1)，其缺点为：分光棱镜难以同时实现宽光谱分光，通常分为400-700nm，700-1100nm，1100-1600nm三个区域，限制了测量的光谱范围；

C)在分光器为偏振分光棱镜的情况下，透射光/反射光为固定偏振方向，改变偏振态需旋转偏振分光棱镜、或旋转样品或另设起偏器，实现非常复杂；

D)在分光器为薄膜分光器(Pellicle Beamsplitter)的情况下，其结构的缺点为薄膜厚度仅为2微米，受环境影响大，极易破损，无法清理表面，成本高；且薄膜对紫外波段存在吸收。

在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：采用传统分光器的光谱仪的光通量效率低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪光学测量系统，以提高光谱仪的光通量效率。

(二)技术方案

本发明的采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪，包括：光源、光纤束、光探测器，光纤束包括入射光纤子束、出射光纤子束，入射光纤子束和出射光纤子束均包含至少一根光纤或光纤芯；入射光纤子束具有第一端口组和第二端口组，出射光纤子束具有第三端口组和第四端口组，入射光纤子束的第二端口组和出射光纤子束的第三端口组在同一横截面上；入射光纤子束，用于引导从第一端口组入射的光源发射的探测光，从第二端口组出射，入射样品表面；出射光纤子束，用于引导从第三端口组入射的探测光经过样品表面的反射光，从第四端口出射，入射光探测器。

优选地，本技术方案中，入射光纤子束为反射/背散射光纤束的预设光纤，出射光纤子束为反射/背散射光纤束的预设光纤外的光纤。

优选地，本技术方案中，光纤束由一根中心光纤和环绕中心光纤的若干根分支光纤构成，若干根分支光纤横截面上的圆心位于中心光纤的同心圆环上，并等分此圆环；中心光纤作为入射光纤子束，若干根分支光纤作为出射光纤子束；或中心光纤作为出射光纤子束，若干根分支光纤作为入射光纤子束。

优选地，本技术方案中，垂直入射宽带光谱仪还包括聚光单元，位于第二端口组和第三端口组所在的横截面和样品之间，用于将从第二端口组出射的探测光会聚至样品表面，和将样品表面的反射光会聚至第三端口组

优选地，本技术方案中，当聚光单元为聚焦透镜时，样品位于聚焦透镜的离焦位置；当样品平面以聚焦透镜聚焦时像平面为参考移动时，满足关系式：

$d=\frac{2h{(s-f)}^2\tan \mathrm{\θ}}{f^2};$

或当横截面以聚焦透镜聚焦时物平面为参考移动，满足关系式：

$d=\frac{2h{(s+h-f)}^2\tan \mathrm{\θ}}{(s+h-f)(s-f)};$

其中f为聚焦透镜的焦距，s为横截面距离聚焦透镜的距离，t为物距为s时的像距，h为样品距离焦平面距离，d为反射光束与入射平面交点与中心光源偏移距离，θ为探测光从第二端口组出射的角度。

(三)有益效果

本发明采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的光通量效率可达50％，远远高于传统的采用分光器的光谱仪。同时，本发明的采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪省略了分光器等复杂光学元件，结构简单、易于调节，成本低。

附图说明

图1为现有技术利用分光镜进行光束分离的光谱仪；

图2为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的示意图；

图3为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪优选七芯光纤束的各端口截面的示意图；

图4为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的光路图；

图5为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪样品平面以聚焦时像平面为参考移动的离焦状态的光路图；

图6为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪光纤平面以聚焦时物平面为参考移动的离焦状态的光路图；

图7为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪在理想单透镜情况下，离焦状态的ZEMAX光通量的模拟图；

图8为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪中采用EdmundOptics光学元件时ZEMAX软件的仿真结果；

图9为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪中根据光谱仪狭缝的形状调整出射光纤子束光纤端口排布的示意图；

图10为本发明实施例二采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的光路图；

图11为本发明实施例二采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的光通量仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据本发明的采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪，包括：光源、光纤束、聚光单元、光探测器，上述光纤束包括：入射光纤子束、出射光纤子束，入射光纤子束和出射光纤子束均包含至少一根光纤或光纤芯；入射光纤子束具有第一端口组和第二端口组，出射光纤子束具有第三端口组和第四端口组，入射光纤子束的第二端口组和出射光纤子束的第三端口组在同一横截面上；入射光纤子束，用于引导从第一端口组入射的光源发射的探测光，从第二端口组出射，入射样品表面；出射光纤子束，用于引导从第三端口组入射的探测光经过样品表面的反射光，从第四端口出射，进入光探测器。其中，第一、二、三、四端口组均包含一个或多个光纤端口，每个端口组的一个或多个光纤端口在同一横截面上。

本发明的技术方案特点为使用光纤束同时作为探测光发射端和样品反射光信号接收端，替代分光器作为分光器件，省略了由于分光器所分出光路所增加的重复功能光学器件。

优选地，采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪还包括聚光单元，位于第二端口组、第三端口组所在的横截面和样品之间，用于将从第二端口组出射的入射光纤子束引导的探测光会聚至样品表面，和将样品表面的反射光会聚至第三端口。

在进一步的实施例中，光纤束由多路光纤或光纤芯紧密结合排列构成；其一端截面可为紧密排列的光纤或光纤芯，另一端将所述光纤或光纤芯分为多路子光纤束，光纤束中部分光纤或光纤芯构成具有同一截面的光纤束端口。最基本为一端分为两路子光纤束，一端为单光纤束。其中单光纤束端截面可作为探测光发射端和样品反射光信号接收端；双光纤束端，一端连接光源，另一端连接探测器。单光纤束端连接光源的部分光纤芯发出的发散光，经聚光单元，会聚至样品表面。经样品表面反射后返回，部分入射至单光纤束端连接探测器的光纤芯中，获得样品的反射光谱。理论上，当单光纤束端截面与样品表面平行且互为焦平面时，样品表面的反射光束原路返回，无法进入其他光纤芯中。当调整光学系统，使样品一定程度上离焦，从而使样品反射光可以进入连接光源光纤芯周围连接探测器的光纤芯中，测量反射光谱。特别是对于表面粗糙度较高的薄膜，如太阳能电池。在聚焦状态下，样品表面反射光可直接进入连接探测器的光纤芯中。

传统的采用分光器的光谱仪当中，整个测量过程中，光束由光源需经同一分光器透射和反射各一次，进入探测器，所能达到的最大光通量比率为25％，即分光器为透射率和反射率各50％；同时若实现高质量光斑及较宽的光谱范围，则系统复杂度较高，且成本较高。经仿真计算，本发明采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的光通量效率可达50％，远远高于传统的采用分光器的光谱仪。同时，本发明的采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪省略了分光器等复杂光学元件，结构简单、易于调节，成本低。

本发明中，所述光源可以为包含多重波长的光源。具体地说，所述光源的光谱可以在真空紫外至近红外光范围内，即，在150nm至2200nm波长范围内。光源可以是氙灯、氘灯、钨灯、卤素灯、汞灯、包含氘灯和钨灯的复合宽带光源、包含钨灯和卤素灯的复合宽带光源、包含汞灯和氙灯的复合宽带光源、或者包含氘钨卤素的复合宽带光源，通常此类光源的光束为自然光。此类光源的例子包括Oceanoptics公司产品HPX-2000、HL-2000和DH2000，以及Hamamtsu公司产品L11034、L8706、L9841和L10290。光源也可为利用消偏振器将部分偏振光或偏振光转化后形成的自然光。例如，消偏振器可以是Lyot消偏振器(美国专利No.6667805)。所述探测器103可以是光谱计，具体地说，可以是包含光栅，反射镜，和电荷耦合器件(CCD)或光电二极管阵列(PDA)的光谱计，例如，OceanOptics QE65000光谱计或B&W Teck Cypher H光谱计。

此外，本发明还公开了采用上述采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的光学测量系统。以下以两个优选的实施例来重点说明本发明的采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪。

实施例一

图2为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的示意图。如图2所示，采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪包括：光源202，探测器203，光纤束204，样品205，透镜206。其关键步骤的具体技术方案如下：

光纤束204分为三个端点，端点A包含光纤束204全部通路，端点B和端点C各包含光纤束204的部分通路。其中，端点B包含光纤束204中入射子光纤束部分的端口，端点C包含光纤束204中出射子光纤束部分的端口。光源202与光纤束端点B连接，发出的探测光束经端点B所包含的光纤通路在A端端口发散入射至透镜206；会聚探测光束垂直入射至样品205表面，其反射光束经透镜206会聚后入射至光纤束204端点A；部分样品反射光入射端点C所包含光纤通路在A端的端口，最终入射至探测器203。

本实施例中，光纤束204可选用反射/背散射光纤束。图3为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪优选七芯光纤束的各端口截面的示意图。如图3所示，光纤由三个光纤端口构成。光纤束光路分为两组；一组为包含六个光纤芯的虚线光纤芯，和一组包含一个光纤芯的实线光纤芯；分别形成两个单独的光通路，在本实施例中形成入射通路和反射通路。在光纤束A端，两路光通路共用一个光纤接口；在光纤B端和C端，两光通路分别为独立光纤接口。本实施中端口B与光源连接，端口C与探测器连接。此类光纤，如Oceanoptics QR230-7-XSR/BX，光纤芯直径230μm，光谱范围可达180-900nm。本实施例中，聚光单元也可以集成至入射子光纤和/或出射子光纤中。

图4为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的光路图。端口A中的中心光纤，即与B端连接的光纤可视为点光源，发散光经透镜206会聚后入射至样品205。如图4所示，如果样品所处位置为端口A所对应的焦平面205’，样品表面的反射光束将绝大部分返回光纤束光源端口。当通过移动样品平面至微小尺度离焦位置205时，部分反射光耦合进入端口A中的边缘光纤通道后从C端出射。

对离焦状态的光传播关系，按调节方法分为两种情况：(1)样品平面以聚焦时像平面为参考移动，(2)光纤平面以聚焦时物平面为参考移动。

图5为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪样品平面以聚焦时像平面为参考移动的离焦状态的光路图。如图5所示，若将光纤中心出射角θ的光线经光学系统反射到距出射点水平距离为d的点，在情况1)样品平面以聚焦时像平面为参考移动距离h，可由以下步骤得出：

$\frac{1}{f}=\frac{1}{s}+\frac{1}{t}---\left(1\right)$

s·tan θ＝t·tanθ₁                          (2)

$\tan {\mathrm{\θ}}_1=\frac{d_1}{h}---\left(3\right)$

$\frac{d}{h}=\frac{s}{t}---\left(4\right).$

其中，f为透镜焦距，光纤束204的端口A距离透镜206距离为s，t为物距为s时的像距，h为样品距离焦平面距离，d为反射光束与入射平面交点与中心光源偏移距离，θ为A端光束出射角度。

由公式(1)、(2)、(3)、(4)可得出，

$d=\frac{2h{(s-f)}^2\tan \mathrm{\θ}}{f^2}---\left(5\right)$

图6为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪光纤平面以聚焦时物平面为参考移动的离焦状态的光路图。在情况2)样品平面以聚焦时像平面为参考移动h，可由情况1)类似步骤得出：

$d=\frac{2h{(s+h-f)}^2\tan \mathrm{\θ}}{(s+h-f)(s-f)}---\left(6\right)$

根据七光纤芯反射/背散射光纤束的截面结构，对光纤芯直径200微米情况，进行了光通量计算模拟。考虑焦距为30mm的理想透镜，即忽略色差和像差，离焦状态的ZEMAX光通量模拟计算。

图7为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪在理想单透镜情况下，离焦状态的ZEMAX光通量的模拟图。如图7所示，当中心出射光强为1时，除去中心入射光纤芯所占面积，周围半径100微米至300微米环形区域内光强为74.645％。次环形区域中包含了六个光纤芯，其所占面积比为环形的3/4；所以，最终光通量约为55.5％；远高于利用分光镜的光学系统(如表一所列1)。

参照图4，上述模拟的离焦方法为：固定光纤束204的端口A，调整样品表面的位置。相反的，如模拟2，可以通过调整光纤束204的A端，固定样品表面的位置，实现相同的效果。模拟3中，通过交换光纤束204的端口B与端口C的连接，实现六芯光纤束出射(光源)；此情况下，单光纤芯对中心光纤芯的耦合效率为8％，假设6个光纤连接光源时，每个光纤芯的光通量等于单个光纤芯连接光源的光通量，则总效率8％×6＝48％。模拟4中，相对于模拟1改变了物距与像相距，即光斑的的放大比例；两种情况下光通量几乎保持不变。此方法可用于调整探测光束光斑大小，实现对不均匀的或有采样面积有限制的样品的测量。表1为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的离焦模拟结果表。

表1采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的离焦模拟结果表

模拟	结构	物距(毫米)	像距(毫米)	总效率	光纤截面效率
						1	1芯→6芯	175	35.1	74％	55％
2	1芯→6芯	177.5	35	74％	55％
						3	6芯→1芯	175.5	35	48％	48％
4	1芯→6芯	60.9	60	77％	57％

由表1可以看出，本发明采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪光路系统部分的光通量效率均大于利用现有技术，即利用分光器实现的采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪，假设分光器的分光比例为x，其光路光通量效率为(1-x)x，当x＝50％时，达到最大值25％，均低于本发明技术方案。可以看出调节系统的简单方法为，单独调节样品205表面高度，达到最强信号；或单独调节光纤束204的端口A相对于透镜206的距离，达到最强信号。而且，可通过设置不同的物距与像距比例，调整光斑大小，实现对有限区域的测量(小光斑)。

在光源为宽光谱情况下，透镜会造成色散；在垂直入射情况下，尽管不影响测量结果准确性，但会影响精确度。实际中可选用色散矫正能力较佳的透镜组实现最大化的矫正色散造成的焦距不同的影响。透镜例如，校正三片镜组件，三胶合透镜或双胶合透镜。现以紫外到红外校正三片镜组件为例，如Edmund Optics，NT64-837和NT64-840。

图8为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪中采用EdmundOptics光学元件时ZEMAX软件的仿真结果。图8中a组中所示为光纤至样品表面距离为273.1mm情况下，230nm、500nm和900nm三个波段各自的光学效率，考虑三个波段的综合光通量效率可达到37.7％，依旧高于利用分光镜情况下25％的光学效率。当光纤至样品表面距离不同时，各个波段的光通量不近相同，可根据光源光强的光谱分布，通过调整光纤至样品表面距离优化整体测量效果。在个别情况下，可将光谱区域根据色散情况分为若干段，每段分别取不同的离焦距离进行测量，达到最佳测量结果。如图8中b组所示，当光纤至样品表面距离为271.6mm情况下，230nm波长的光学效率将极大地提高，而500nm和900nm波长的信号非常低。

优选地，采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪出射光纤子束的若干根分支光纤的多个端口排列为与所述光探测器入光口形状对应的形状，以提高光探测器的采光效率。本实施例中，若光纤束204端口C连接至光谱仪时。根据光谱仪狭缝的结构，可将光纤束204端口C端多光纤芯一字排列，以获得更高的光耦合效率。图9为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪中根据光谱仪狭缝的形状调整出射光纤子束光纤端口排布的示意图。

在上述的采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪中，探测光束在入射至样品之前的偏振特性可以保持不变，并且在从样品射出之后的偏振特性也可以保持不变。因此，通过这样的垂直入射宽带光谱仪，可以保持任意偏振光的偏振特性。由于光源可为自然光(在任意时间内光矢量在各个方向上的振动几率和大小都相同，即，偏振度为零)，并且上述宽带光谱仪能够保持光学偏振特性，所以，通过测量可以得到样品在正交方向上的两个偏振态的反射率的平均值；例如一维光栅结构中，正交的两个方向分别定义为垂直于线形结构的方向及平行于线形结构的方向。可通过拟合数值仿真结果，测量样品表面周期性图案的临界尺度、三维形貌及多层材料的膜厚与光学常数。同样此光谱仪也可用于测量均匀多层薄膜的膜厚。在这种情况下，所述垂直入射宽带光谱仪还可以包括计算单元，该计算单元用于通过反射率数学模型计算和曲线回归拟合，计算样品材料的光学常数和/或用于分析样品材料的周期性微结构的临界尺度特性或三维形貌。

本实施例中，若要测量一个样品的反射率，应做如下：

(1)测量光谱仪暗数值I_d；

(2)测量参考样本反射率，例如，裸硅晶片，并获得光谱数值I_r；

(3)测量样品，并获得数值I；

这样，特量样品的反射率为：

R＝(I-I_d)/(I_r-I_d)×R(ref)

其中R(ref)是参考样本的绝对反射率。R(ref)可从其他测量获得，或通对参考样本的特性计算得出，通常为裸硅片的反射率。

实施例二

本实施例垂直入射宽带光谱仪包括：光源202，探测器203，光纤束204，样品205，超环形镜206’。其关键步骤的具体技术方案如下：

图10为本发明实施例二采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的光路图。如图10所示，光纤束204分为三个端点，端点A包含光纤束204全部通路，端点B和端点C各包含光纤束204的部分通路。光源202与光纤束端点B连接，发出的探测光束经端点B所包含的光纤通路在A端端口发散入射至超环形反射镜(toroidal mirror)206’；经超环形反射镜反射后，光束传播方向偏转90度后会聚探测光束垂直入射至样品205表面，其反射光束经透镜206’会聚后入射至光纤束204端点A；部分样品反射光入射到A端点中连接到C端点的光纤，最终入射至探测器。

根据七光纤芯反射/背散射光纤束的截面结构，对光纤芯直径200微米情况，进行了光通量计算模拟。图11为本发明实施例二采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪的光通量仿真图。如图11所示，综合考虑最终效率约为46.94％。

与实施例一比较，利用反射聚焦不产生色散，对任意宽度的光谱均为相同的光学聚焦情况，仅反射率存在差异。由此，当综合考虑230nm、500nm和900nm三个波长的综合光通量时，与透镜形式相比较可得到多出10％的光通量。但是，由于反射造成了光源自然光的偏振态变化，如图11所示的采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪仅适合测量均匀的薄膜样品，不适用于实施例一中所述三维结构薄膜的测量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，包括：光源、光纤束、光探测器，所述光纤束包括入射光纤子束、出射光纤子束，所述入射光纤子束和所述出射光纤子束均包含至少一根光纤或光纤芯；

所述入射光纤子束具有第一端口组和第二端口组，所述出射光纤子束具有第三端口组和第四端口组，所述入射光纤子束的第二端口组和所述出射光纤子束的第三端口组在同一横截面上；

所述入射光纤子束，用于引导从所述第一端口组入射的所述光源发射的探测光，从所述第二端口组出射，入射样品表面；

所述出射光纤子束，用于引导从所述第三端口组入射的所述探测光经过所述样品表面的反射光，从所述第四端口出射，入射所述光探测器。

2.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述入射光纤子束为反射/背散射光纤束的预设光纤，所述出射光纤子束为反射/背散射光纤束的预设光纤外的光纤。

3.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：

所述光纤束由一根中心光纤和环绕所述中心光纤的若干根分支光纤构成，所述若干根分支光纤横截面上的圆心位于所述中心光纤的同心圆环上，并等分此圆环；

所述中心光纤作为入射光纤子束，所述若干根分支光纤作为出射光纤子束；或所述中心光纤作为出射光纤子束，所述若干根分支光纤作为入射光纤子束。

4.根据权利要求3所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：当所述若干根分支光纤作为出射光纤子束时，所述若干根分支光纤的所述第四端口组排列为与所述光探测器入光口形状对应的形状。

5.根据权利要求4所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述光探测器的入光口为狭缝时，所述第四端口组的各端口呈一字排列。

6.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述光谱仪还包括：

聚光单元，位于所述第二端口组、第三端口组所在的横截面和所述样品之间，用于将从所述第二端口组出射的探测光会聚至所述样品表面，和将所述样品表面的反射光会聚至第三端口组。

7.根据权利要求6所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述聚光单元为聚焦透镜或超环形反射镜。

8.根据权利要求7所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：当所述聚光单元为聚焦透镜时，所述样品位于所述聚焦透镜的离焦位置；

当样品平面以所述聚焦透镜聚焦时，像平面为参考移动，满足关系式： $d=\frac{2h{(s-f)}^2\tan \mathrm{\θ}}{f^2};$ 或

当所述第二端口组、第三端口组所在的横截面以所述聚焦透镜聚焦时的物平面为参考移动，满足关系式：

其中f为所述聚焦透镜的焦距，s为所述横截面距离所述聚焦透镜的距离，h为所述样品距离焦平面距离，d为反射光束与入射平面交点与中心光源偏移距离，θ为所述探测光从所述第二端口组出射的角度。

9.根据权利要求8所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：当所述聚光单元为聚焦透镜时，所述聚焦透镜为校正三片镜组件，三胶合透镜或双胶合透镜。

10.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述光探测器为光谱计。

11.根据权利要求10所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于，所述光谱仪还包括：

计算单元，与所述光谱计相连，用于接收所述光谱计输出的样品的反射率，利用所述反射率计算样品材料的光学常数和/或分析样品材料的周期性微结构的临界尺度特性或三维形貌。

12.根据权利要求1所述的垂直入射宽带光谱仪，其特征在于：所述光源为氙灯、氘灯、钨灯、卤素灯、汞灯、包含氘灯和钨灯的复合宽带光源、包含钨灯和卤素灯的复合宽带光源、包含汞灯和氙灯的复合宽带光源、或者包含氘钨卤素的复合宽带光源。

13.一种光学测量系统，其特征在于，包含权利要求1-12中任一项所述的采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪。

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