CN102980530A - 一种基于空间光调制器的椭偏测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于空间光调制器的椭偏测量装置及测量方法，应用于对样品表面纳米尺度薄膜厚度分布进行观测的测量；其特点采用空间光调制器改变光束两垂直方向偏振的相位延迟，采用面阵探测器记录样品表面薄膜的椭偏图像，采用拟合算法和迭代算法对数据进行处理，精确测量样品表面薄膜形貌参数；本发明装置无旋转部件，消除了系统不稳定和方位角偏差，且对温度不敏感，有效克服了偏振器件旋转型及光弹调制型椭偏仪的缺点。

Description

一种基于空间光调制器的椭偏测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种薄膜厚度的测量装置及测量方法，具体涉及一种基于空间光调制器的椭偏测量装置及测量方法。

背景技术

椭圆偏振测量法是利用偏振光测量薄膜或界面参数的测量技术，通过测量经被测样品反射（或透射）光线的偏振态变化来获得样品的厚度和折射率等参数。椭偏仪广泛应用于薄膜厚度和光学常数的测定，能同时测量多层薄膜，膜厚测量范围大，可以从几纳米到1微米。椭偏仪是一种快速、高精度、非接触式光学测量仪器，能够在各种复杂环境下应用，可以对各种半导体及其氧化物成分、化合物半导体成分的梯度膜层和透明薄膜的折射率和厚度以及微结构等物理结构特性进行分析。

根据获取椭偏角（ψ，Δ）方式的不同，目前应用比较广泛的椭偏仪可分为偏振器件旋转型和光弹调制型。偏振器件旋转型主要是指通过旋转调制椭偏仪中的某一/多个偏振器件来获取椭偏角的方法。根据旋转器件的不同，又可细分为旋转检偏器型、旋转起偏器型、旋转补偿器型等；光弹调制型主要是指利用光弹晶体调制光的偏振态从而获取椭偏角的方法，在整个测量过程中没有器件的机械运动。

偏振器件旋转型椭偏仪由于旋转部件造成的系统不稳定和方位角偏差而降低了其测量精度；光弹调制型的缺点是调制器易受温度影响。

设计一种基于空间光调制器的椭偏测量方法和装置，该方法中光路结构无旋转部件，消除了系统不稳定和方位角偏差，且对温度不敏感，有效克服了偏振器件旋转型及光弹调制型椭偏仪的缺点。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于空间光调制器的椭偏测量装置及测量方法，消除了系统不稳定和方位角偏差，且对温度不敏感，有效克服了偏振器件旋转型及光弹调制型椭偏仪的缺点，能够对样品表面薄膜形貌进行精确测量，同时提高了测量稳定性和速度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种基于空间光调制器的椭偏测量装置，包括带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂1、带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂2以及与带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂1和带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂2相连接的控制系统3；

所述带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂1包括沿着入射光路依次设置的：

激光器4，用于发出照射待测对象的单频率光；

准直扩束装置5，用于对所述激光器4发出的光进行准直和扩束；

起偏器6，用于把所述准直扩束装置5输出的任意偏振态的光转变成线偏振光；所述起偏器6安装在使其光轴在与入射光路垂直的一个平面内转动起偏器旋转控制台7；

入射光阑10，用于改变沿着入射光路照向所述待测对象的光束的尺寸；

所述带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂2包括沿着接收光路依次设置的：

出射光阑11，用于改变沿着接收光路来自所述待测对象的光束的尺寸；

成像系统12，其被设置在所述出射光阑11下游的光路上；

面阵探测器13，其被设置在所述成像系统12下游的光路上；

所述控制系统3包括计算机14以及和计算机14相连接的第一驱动器15、第二驱动器16、第三探测器17以及图像采集卡18；所述第一驱动器15和起偏器旋转控制台7相连接，所述第二驱动器和空间光调制器8相连，所述第三驱动器和二维位移台21相连，所述图像采集卡18和面阵探测器13相连接；

还包括用于对入射光的相位空间分布作调制的空间光调制器8，所述空间光调制器8设置在所述起偏器6与入射光阑10之间的光路上或设置在成像系统12与出射光阑11之间的光路上，所述空间光调制器8和控制系统3的第二驱动器16相连接。

在所述空间光调制器8和入射光阑10间或空间光调制器8和成像系统12间设置反射镜9。

所述空间光调制器8由多个能够独立地接收电学输入信号的基本独立单元组成一维或二维阵列。

上述所述的椭偏测量装置的测量方法，包括如下步骤：

1）初始化起偏器光轴角度步骤S301，包括由所述计算机14控制第一驱动器15转动起偏器旋转控制台7，从而改变起偏器6的光轴方向；

2）打开空间光调制器将图片输入其中步骤S302，打开空间光调制器8，计算机14通过第二控制器16将一副图片写入空间光调制器8；

3）探测器记录椭偏图像步骤S303，用所述计算机14通过所述图像采集卡18记录面阵探测器13的椭偏图像信号；

4）拟合计算（步骤S305)，计算机14用拟合算法处理图像，得到椭偏角；

5）迭代计算（步骤S306），计算机14由椭偏角，采用迭代算法计算被测样品该点的厚度；

6)移动被测薄膜（步骤S304），计算机14通过第三驱动器17控制二维位移台21移动测量基底20,光束入射在薄膜19表面的另一点，重复步骤3）-5），得到样品表面薄膜19的形貌参数，测量完成。

具体测量方法为：当所述空间光调制器8设置在所述起偏器6与入射光阑10之间的光路上时，首先利用准直扩束装置5对激光器4发出的光进行准直和扩束，然后利用起偏器6把所述准直扩束装置5输出的任意偏振态的光转变成线偏振光，利用起偏器旋转控制台7使所述起偏器6的光轴在与所述光路垂直的一个平面内转动；随后利用空间光调制器8将沿着所述光路入射所述空间光调制器8的光波相位空间分布作调制，反射镜9将入射光改变方向后反射在入射光阑10上，利用入射光阑10改变沿着光路照向所述待测对象的光束的尺寸后，入射在测量基底20上的薄膜19表面，反射光进入出射光阑11，利用出射光阑11改变沿着光路来自所述待测对象的光束的尺寸，随后利用成像系统12对所述出射光阑11下游的光路上的光束进行成像，随后利用面阵探测器13接收所述成像系统12所成的像，并将接收到的像的二维空间光信号转化为电信号输出；随后利用图像采集卡18将所述面阵探测器13的输出的模拟电信号转换成数字电信号；最后利用计算机14接收和处理来自所述图像采集卡18的所述数字电信号；一次测量完成后，计算机14通过第三驱动器17移动二维位移台21，光束入射到被测薄膜19上另一点，重复以上步骤；

所述空间光调制器8对入射光的相位空间分布作调制的步骤包括：把所述空间光调制器8设置在入射光路位于所述起偏器6与所述入射光阑10之间的光路上，使所述空间光调制器8的轴线沿着所述光路，空间光调制器8上每个独立单元分别对照明在其上的光波进行调制，实现对光束相位的空间分布进行调制。

当所述空间光调制器8设置在所述成像系统12与出射光阑11之间的光路上时，首先利用准直扩束装置5对激光器4发出的光进行准直和扩束，然后利用起偏器6把所述准直扩束装置5输出的任意偏振态的光转变成线偏振光，利用起偏器旋转控制台7使所述起偏器6的光轴在与所述光路垂直的一个平面内转动，利用入射光阑10改变沿着光路照向所述待测对象的光束的尺寸后；入射在测量基底20上的薄膜19表面，反射光进入出射光阑11，利用出射光阑11改变沿着光路来自所述待测对象的光束的尺寸，随后利用空间光调制器8将沿着所述光路入射所述空间光调制器8的光波相位空间分布作调制，反射镜9将入射光改变方向后反射在成像系统12上，随后利用成像系统12对光束进行成像，随后利用面阵探测器13接收所述成像系统12所成的像，并将接收到的像的二维空间光信号转化为电信号输出；随后利用图像采集卡17将所述面阵探测器13的输出的模拟电信号转换成数字电信号；最后利用计算机14接收和处理来自所述图像采集卡17的所述数字电信号；一次测量完成后，计算机14通过第三驱动器17移动二维位移台21，光束入射到被测薄膜19上另一点，重复以上步骤。

所述空间光调制器8对出射光的相位空间分布作调制的步骤包括：把所述空间光调制器8设置在出射光路位于成像系统12与出射光阑11之间的光路上，使所述空间光调制器8的轴线沿着所述光路，空间光调制器8上每个独立单元分别对照明在其上的光波进行调制，实现对光束相位的空间分布进行调制。

本发明提出了一种新型的基于空间光调制器的椭偏测量方法。基于空间光调制器可对光束的相位空间分布作调制，利用空间光调制器取代传统步进电机转动起偏器、补偿器或检偏器光轴的方法来实现椭偏测量。由于空间光调制器对光束的相位空间分布调制，调制速度快，调制精度高，而且整个测量过程中没有机械转动。从而可提高椭偏测量的精度、稳定性和速度。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的一种基于空间光调制器的椭偏测量装置示意图。

图2是如图1中入射光在被测样品薄膜上的反射示意图。

图3是椭偏测试原理示意图。

图4是根据本发明的一个实施例的一种基于空间光调制器的椭偏测量装置工作流程示意图。

图5是根据本发明的另一个实施例的另一种基于空间光调制器椭偏测量装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

如图1和图5所示，本发明一种基于空间光调制器的椭偏测量装置，包括带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂1、带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂2以及与带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂1和带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂2相连接的控制系统3；

所述带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂1包括沿着入射光路依次设置的：

激光器4，用于发出照射待测对象的单频率光；

准直扩束装置5，用于对所述激光器4发出的光进行准直和扩束；

起偏器6，用于把所述准直扩束装置5输出的任意偏振态的光转变成线偏振光；所述起偏器6安装在使其光轴在与入射光路垂直的一个平面内转动起偏器旋转控制台7；

入射光阑10，用于改变沿着入射光路照向所述待测对象的光束的尺寸；

所述带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂2包括沿着接收光路依次设置的：

出射光阑11，用于改变沿着接收光路来自所述待测对象的光束的尺寸；

成像系统12，其被设置在所述出射光阑11下游的光路上；

面阵探测器13，其被设置在所述成像系统12下游的光路上；

所述控制系统3包括计算机14以及和计算机14相连接的第一驱动器15、第二驱动器16、第三驱动器17以及图像采集卡18；所述第一驱动器15和起偏器旋转控制台7相连接，所述第二驱动器和空间光调制器8相连接，所述第三驱动器和二维位移台21相连接，所述图像采集卡18和面阵探测器13相连接；

还包括用于对入射光的相位空间分布作调制的空间光调制器8，所述空间光调制器8设置在所述起偏器6与入射光阑10之间的光路上或设置在成像系统12与出射光阑11之间的光路上，所述空间光调制器8和控制系统3的第二驱动器16相连接。

在所述空间光调制器8和入射光阑10间或空间光调制器8和成像系统12间设置反射镜9。

所述空间光调制器8由多个能够独立地接收电学输入信号的基本独立单元组成一维或二维阵列。这些独立单元能够独立地接收电学的输入信号，并利用物理效应改变自身的相位，从而实现对照明在其上光波的空间调制。把这些小独立单元称为空间光调制器的“像素”，把控制像素的电信号称为“写入电信号”，把照明整个器件并被调制的输入光波称为“读出光”，经过空间光调制器后出射的光波称为“输出光”。

如图4所示，本发明上述所述的椭偏测量装置的测量方法，包括如下步骤：

1）初始化起偏器光轴角度步骤S301，包括由所述计算机14控制第一驱动器15转动起偏器旋转控制台7，从而改变起偏器6的光轴方向；

2）打开空间光调制器将图片输入其中步骤S302，打开空间光调制器8，计算机14通过第二控制器16将一副图片写入空间光调制器8；

3）探测器记录椭偏图像步骤S303，用所述计算机14通过所述图像采集卡17记录面阵探测器13的椭偏图像信号；

4）拟合计算（步骤S305)，计算机14用拟合算法处理图像，得到椭偏角；

5）迭代计算（步骤S306），计算机14由椭偏角，采用迭代算法计算被测样品该点的厚度；

6)移动被测薄膜（步骤S304），计算机14通过第三驱动器17控制二维位移台21移动测量基底20,光束入射在薄膜19表面的另一点，重复步骤3）-5），得到样品表面薄膜19的形貌参数，测量完成；

如图1所示，当所述空间光调制器8设置在所述起偏器6与入射光阑10之间的光路上时，具体的测量方法为：首先利用准直扩束装置5对激光器4发出的光进行准直和扩束，然后利用起偏器6把所述准直扩束装置5输出的任意偏振态的光转变成线偏振光，利用起偏器旋转控制台7使所述起偏器6的光轴在与所述光路垂直的一个平面内转动；随后把空间光调制器8设置在入射光路位于起偏器6与入射光阑10之间的光路上，使所述空间光调制器8的轴线沿着所述光路，空间光调制器8上每个独立单元分别对照明在其上的光波进行调制，实现对光束相位的空间分布进行调制；反射镜9将入射光改变方向后反射在入射光阑10上，利用入射光阑10改变沿着光路照向所述待测对象的光束的尺寸后，入射在测量基底20上的薄膜19表面，反射光进入出射光阑11，利用出射光阑11改变沿着光路来自所述待测对象的光束的尺寸，随后利用成像系统12对所述出射光阑11下游的光路上的光束进行成像，随后利用面阵探测器13接收所述成像系统12所成的像，并将接收到的像的二维空间光信号转化为电信号输出；随后利用图像采集卡17将所述面阵探测器13的输出的模拟电信号转换成数字电信号；最后利用计算机14接收和处理来自所述图像采集卡17的所述数字电信号。一次测量完成后，计算机14通过第三驱动器17移动二维位移台21，光束入射到被测薄膜19上另一点，重复以上步骤。

如图5所示，当所述空间光调制器8设置在所述成像系统12与出射光阑11之间的光路上时，具体的测量方法为：首先利用准直扩束装置5对激光器4发出的光进行准直和扩束，然后利用起偏器6把所述准直扩束装置5输出的任意偏振态的光转变成线偏振光，利用起偏器旋转控制台7使所述起偏器6的光轴在与所述光路垂直的一个平面内转动，利用入射光阑10改变沿着光路照向所述待测对象的光束的尺寸后；入射在测量基底20上的薄膜19表面，反射光进入出射光阑11，利用出射光阑11改变沿着光路来自所述待测对象的光束的尺寸，随后把空间光调制器8设置在出射光路位于成像系统12与出射光阑11之间的光路上，使所述空间光调制器8的轴线沿着所述光路，空间光调制器8上每个独立单元分别对照明在其上的光波进行调制，实现对光束相位的空间分布进行调制，反射镜9将入射光改变方向后反射在成像系统12上，随后利用成像系统12对光束进行成像，随后利用面阵探测器13接收所述成像系统12所成的像，并将接收到的像的二维空间光信号转化为电信号输出；随后利用图像采集卡17将所述面阵探测器13的输出的模拟电信号转换成数字电信号；最后利用计算机14接收和处理来自所述图像采集卡17的所述数字电信号。一次测量完成后，计算机14通过第三驱动器17移动二维位移台21，光束入射到被测薄膜19上另一点，重复以上步骤；

在测量完成后，对测得的图像进行处理，即可得到样品表面的形貌分布图。

如图3所示，测试原理如下：

电场矢量为E_i的线偏光（通常是线偏光，且保证垂直偏振分量和平行偏振分量相等，即E_ip＝E_is）入射到待测样品表面，入射角为φ₀。由于样品薄膜与入射光的相互作用，反射光E_r的偏振态相对于入射光将会发生变化，若记反射光的偏振分量为E_rp、E_rs,反射系数分别为R_p、R_s，则两分量的反射系数之比ρ可写作：

ρ＝R_p/R_s

(1)

其中，

$R_p=\frac{E_{\mathrm{rp}}}{E_{\mathrm{ip}}},R_s=\frac{E_{\mathrm{rs}}}{E_{\mathrm{is}}}---\left(2\right)$

由于ρ通常是复数，因此又可写为下式：

tanψe^iΔ＝ρ＝R_p/R_S＝E^rp/E_rs

(3)

上式中，ψ，Δ分别表示了p光和s光反射系数之比的振幅和相位，在椭偏术中称为椭偏角，是椭偏仪直接测量的两个参数。

在理想状态下（不考虑样品的退偏振效应），入射偏振光在样品表面反射引起的偏振态变化可用菲涅尔反射公式来描述（以单层膜为例，多层膜结构可以此类推），如图2所示：

根据菲涅尔反射定律可知，R_p、R_s可描述为：

$R_p=\frac{r_{01}^p+r_{12}^p{e}^{-i2{\mathrm{\δ}}_p}}{1+r_{01}^p{r}_{12}^p{e}^{-i2{\mathrm{\δ}}_p}}---\left(5\right)$

$R_s=\frac{r_{01}^s+r_{12}^s{e}^{-i2{\mathrm{\δ}}_s}}{1+r_{01}^s{r}_{12}^s{e}^{-i2{\mathrm{\δ}}_s}}---\left(6\right)$

其中，r₀₁、r₁₂表示媒质和薄膜、薄膜和基底之间的反射系数，δ是反射光的相位变化，它们的表达式如（6）~（8）所示：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{01}^p=\frac{n_1\cos {\mathrm{\φ}}_0-n_0\cos {\mathrm{\φ}}_1}{n_1\cos {\mathrm{\φ}}_0+n_0\cos {\mathrm{\φ}}_1}\\ r_{12}^p=\frac{n_2\cos {\mathrm{\φ}}_1-n_1\cos {\mathrm{\φ}}_2}{n_2\cos {\mathrm{\φ}}_1+n_1\cos {\mathrm{\φ}}_2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{01}^s=\frac{n_0\cos {\mathrm{\φ}}_0-n_1\cos {\mathrm{\φ}}_1}{n_0\cos {\mathrm{\φ}}_0+n_1\cos {\mathrm{\φ}}_1}\\ r_{12}^s=\frac{n_1\cos {\mathrm{\φ}}_1-n_2\cos {\mathrm{\φ}}_2}{n_1\cos {\mathrm{\φ}}_1+n_2\cos {\mathrm{\φ}}_2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\mathrm{\δ}=2\mathrm{\π}\left(\frac{d}{\mathrm{\λ}}\right)n_1\cos \left({\sin }^{-1}\left(\frac{n_2}{n_1}\sin {\mathrm{\φ}}_2\right)\right)={\mathrm{\δ}}_p={\mathrm{\δ}}_s---\left(8\right)$

且两界面处的折射角φ₁、φ₂满足折射定律：

n₀sinφ₀＝n₁sinφ₁＝n₂sinφ₂

(9)

由式（3）~（9）可见，椭偏角（ψ·Δ）中包含了薄膜的厚度d和折射率n₁的信息，如果能测得椭偏角，即可得到薄膜厚度和折射率信息。

该椭偏仪的测量原理可用Jones矩阵描述如下：

用L,D分别表示光源发出光和面阵探测器接收光（通过空间光调制器第i个区域、到达面阵探测器第i个区域的光束）的Jones矢量，用P，SLM,S,A分别表示起偏器、空间光调制器、样品和检偏器的Jones矩阵。以光线传播方向与样品表面法线方向确定的面为主平面，在与主平面垂直的平面内建立二维正交坐标系E_ipOE_is(如图3所示)，设起偏器透光轴相对于E_ip的夹角为P，检偏器透光轴相对于E_rp的夹角为A，空间光调制器的光轴平行与起偏器的透光轴，则可得到以下结果。

D＝AS(SLM)PL

(10)

用Jones矩阵描述为下式所示：

$\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{Ai}}\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{\cos }^{2}A& \frac{1}{2}\sin 2A\\ \frac{1}{2}\sin 2A& {\cos }^{2}A\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{R}_P& 0\\ 0& R_S\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{{\mathrm{i\δ}}_i}\end{array}\right]$

$\left[\begin{array}{cc}{\cos }^{2}P& \frac{1}{2}\sin 2P\\ \frac{1}{2}\sin 2P& {\sin }^{2}P\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}1\\ 1\end{array}\right]---\left(11\right)$

其中，E_Ai为检偏器透光轴角度为A时、经过空间光调制器上第i个像素点、探测器上第i个像素点的电场矢量，根据椭偏仪的原理公式（3），且将起偏器（P）的透光轴相对于E_ip的夹角设为45°，检偏器（A）的透光轴相对于E_rp的夹角设为45°，空间光调制器上的第i个像素点琼斯矩阵为 $\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& e^{{\mathrm{i\δ}}_i}\end{array}\right],$ δ_i为空间光调制器上第i个像素点的相位延迟量。则式可简化为（省略常数1/4）：

$E_{\mathrm{Ai}}=R_S\×e^{{\mathrm{\δ}}_i}+R_P$

(12)

探测器（D）接收到的光强为：

I_i＝|E_Ai|²＝I₀[1+sin2ψcosΔcos(δ_i)+sin2ψsinΔsin(δ_i)]

(13)

若令sin2ψcosΔ＝α，sin2ψsinΔ＝β

上式可简化为：

I_i＝I₀[1+αcos(δ_i)+βsin(δ_i)]

(14)

由上式可知，空间光调制器第i个像素点相位延迟量δ_i的值是已知的，光强I_i可由图像读出，则从（14）式可得到α和β的值，从而得到椭偏角（ψ，Δ）。

椭偏仪测得椭偏参量ψ和Δ后，通过数值反演计算可以求出待测样品的厚度、折射率等参数。

测量前首先建立待测样品表面薄膜的物理模型，包括薄膜层数、材料和纵向分布信息，根据公式（3）~（9）采用迭代算法计算tanψ和Δ，建立评价函数为：

RSS＝(ψ_c-ψ_m)²+(Δ_c-Δ_c)²（5）

其中，ψ_c和Δ_c为根据已建立的待测样品表面薄膜相关参数的模型的计算值，ψ_m和Δ_m为测量值。当RSS取最小值时，迭代算法停止，即得到了薄膜厚度的最优解。

本发明装置入射光和接收光的光斑尺寸可调，面阵探测器13的每个像元(x,y)均可检测到光强信号I_i(x,y)并以电信号形式输出。面阵探测器13的感光面与空间光调制器上的各个独立单元相对应。此外，本发明装置采用步进电机旋转起偏器的光轴在测量开始前对装置参数进行校正。测量时，固定起偏器的光轴位置，面阵探测器13记录光强信号I_i(x,y)。

本发明装置采用空间光调制器取代传统步进电机转动起偏器、补偿器或检偏器光轴的方法来实现椭偏图像的采集，步进电机转动起偏器光轴只作为测量开始前的装置校正。采用空间光调制器改变接收光的相位空间分布可以得到比机械式旋转起偏器、补偿器或检偏器光轴更高的偏振方向控制精度和重复精度。本发明装置的校准、测量和计算过程都由计算机控制，可以对待测样品进行自动测量，直接生成待测样品厚度分布图。

Claims (6)

1.一种基于空间光调制器的椭偏测量装置，包括带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂（1）、带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂（2）以及与带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂（1）和带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂（2）相连接的控制系统（3）；

所述带有偏振态和光斑尺寸控制部件的入射臂（1）包括沿着入射光路依次设置的：

激光器（4），用于发出照射待测对象的单频率光；

准直扩束装置（5），用于对所述激光器（4）发出的光进行准直和扩束；

起偏器（6），用于把所述准直扩束装置（5）输出的任意偏振态的光转变成线偏振光；所述起偏器（6）安装在使其光轴在与入射光路垂直的一个平面内转动起偏器旋转控制台（7）；

入射光阑（10），用于改变沿着入射光路照向所述待测对象的光束的尺寸；

所述带有偏振态和光斑尺寸控制部件的接收臂（2）包括沿着接收光路依次设置的：

出射光阑（11），用于改变沿着接收光路来自所述待测对象的光束的尺寸；

成像系统（12），其被设置在所述出射光阑（11）下游的光路上；

面阵探测器（13），其被设置在所述成像系统（12）下游的光路上；

所述控制系统（3）包括计算机（14）以及和计算机（14）相连接的第一驱动器（15）、第二驱动器（16）、第三驱动器（17）以及图像采集卡（18）；所述第一驱动器（15）和起偏器旋转控制台（7）相连接，所述第二驱动器（16）和空间光调制器（8）相连接，所述第三驱动器（17）和二维位移台（21）相连接，所述图像采集卡（18）和面阵探测器（13）相连接；

还包括用于对入射光的相位空间分布作调制的空间光调制器（8），所述空间光调制器（8）设置在所述起偏器（6）与入射光阑（10）之间的光路上或设置在成像系统（12）与出射光阑（11）之间的光路上，所述空间光调制器（8）和控制系统（3）的第二驱动器（16）相连接。

2.根据权利要求1所述的椭偏测量装置，其特征在于：在所述空间光调制器（8）和入射光阑（10）之间或空间光调制器（8）和成像系统（12）间设置反射镜（9）。

3.根据权利要求1所述的椭偏测量装置，其特征在于：所述空间光调制器（8）由多个能够独立地接收电学输入信号的基本独立单元组成一维或二维阵列。

4.权利要求1至3任一项所述的椭偏测量装置的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）初始化起偏器光轴角度（步骤S301），包括由所述计算机（14）控制第一驱动器（15）转动起偏器旋转控制台（7），从而改变起偏器（6）的光轴方向；

2）打开空间光调制器将图片输入其中（步骤S302），打开空间光调制器（8），计算机（14）通过第二控制器（16）将一副图片写入空间光调制器（8）；

3）探测器记录图像（步骤S303），用所述计算机（14）通过所述图像采集卡（18）记录面阵探测器（13）的图像信号；

4）拟合计算（步骤S305)，计算机（14）用拟合算法处理图像，得到椭偏角；

5）迭代计算（步骤S306），计算机(14)由椭偏角，采用迭代算法计算被测样品该点的厚度；

6)移动被测薄膜（步骤S304），计算机（14）通过第三驱动器（17）控制二维位移台(21)移动测量基底（20),光束入射在被测薄膜（19）表面的另一点，重复步骤3）-5），得到被测样品表面薄膜（19）的形貌参数，测量完成。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于：

当所述空间光调制器（8）设置在所述起偏器（6）与入射光阑（10）之间的光路上时，首先利用准直扩束装置（5）对激光器（4）发出的光进行准直和扩束，然后利用起偏器（6）把所述准直扩束装置（5）输出的任意偏振态的光转变成线偏振光，利用起偏器旋转控制台（7）使所述起偏器（6）的光轴在与所述光路垂直的一个平面内转动；随后利用空间光调制器（8）将沿着所述光路入射所述空间光调制器（8）的光波相位空间分布作调制，反射镜（9）将入射光改变方向后反射在入射光阑（10）上，利用入射光阑（10）改变沿着光路照向所述待测对象的光束的尺寸后，入射在测量基底（19）上的薄膜（18）表面，反射光进入出射光阑（11），利用出射光阑（11）改变沿着光路来自所述待测对象的光束的尺寸，随后利用成像系统（12）对所述出射光阑（11）下游的光路上的光束进行成像，随后利用面阵探测器（13）接收所述成像系统（12）所成的像，并将接收到的像的二维空间光信号转化为电信号输出；随后利用图像采集卡（18）将所述面阵探测器（13）的输出的模拟电信号转换成数字电信号；最后利用计算机（14）接收和处理来自所述图像采集卡（18）的所述数字电信号；一次测量完成后，计算机（14）通过第三驱动器（17）移动二维位移台（21），光束入射到被测薄膜（19）上另一点，重复以上步骤；

当所述空间光调制器（8）设置在所述成像系统（12）与出射光阑（11）之间的光路上时，首先利用准直扩束装置（5）对激光器（4）发出的光进行准直和扩束，然后利用起偏器（6）把所述准直扩束装置（5）输出的任意偏振态的光转变成线偏振光，利用起偏器旋转控制台（7）使所述起偏器（6）的光轴在与所述光路垂直的一个平面内转动，利用入射光阑（10）改变沿着光路照向所述待测对象的光束的尺寸后；入射在测量基底（20）上的薄膜（19）表面，反射光进入出射光阑（11），利用出射光阑（11）改变沿着光路来自所述待测对象的光束的尺寸，随后利用空间光调制器（8）将沿着所述光路入射所述空间光调制器（8）的光波相位空间分布作调制，反射镜（9）将入射光改变方向后反射在成像系统（12）上，随后利用成像系统（12）对光束进行成像，随后利用面阵探测器（13）接收所述成像系统（12）所成的像，并将接收到的像的二维空间光信号转化为电信号输出；随后利用图像采集卡（18）将所述面阵探测器（13）的输出的模拟电信号转换成数字电信号；最后利用计算机（14）接收和处理来自所述图像采集卡（18）的所述数字电信号；一次测量完成后，计算机（14）通过第三驱动器（17）移动二维位移台（21），光束入射到被测薄膜（19）上另一点，重复以上步骤。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于：所述空间光调制器（8）对入射光的相位空间分布作调制的步骤包括：把所述空间光调制器（8）设置在入射光路位于所述起偏器（6）与所述入射光阑（10）之间的光路上，使所述空间光调制器（8）的轴线沿着所述光路，空间光调制器（8）上每个独立单元分别对照明在其上的光波进行调制，实现对光束相位的空间分布进行调制；

或者把所述空间光调制器（8）设置在接收光路位于所述成像系统（12）与所述出射光阑（11）之间的光路上，使所述空间光调制器（8）的轴线沿着所述光路，空间光调制器（8）上每个独立单元分别对照明在其上的光波进行调制，实现对光束相位的空间分布进行调制。

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