CN103575230B - 光学无色差聚焦系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光学测量领域，特别涉及一种光学无色差聚焦系统。包括：第一曲面反射元件、第二曲面反射元件及第三曲面反射元件；所述第一曲面反射元件，接收由点光源发射出的光束，并将该光束变成平行光束；第二曲面反射元件，接收由第一曲面反射元件反射的所述平行光束；所述第三曲面反射元件，接收由所述第二曲面反射元件反射的平行光束，将其变成会聚光束并垂直入射至待测样品的表面；所述第一曲面反射元件、第二曲面反射元件及第三曲面反射元件构成交叉切尔尼‑特纳结构。本申请提供的光学无色差聚焦系统结构简单、价格低廉，光学测量时不会产生色差，并且可合理地改变入射光的传播方向，使其聚焦在样品表面，同时获得较为合适的工作距离。

Description

光学无色差聚焦系统

技术领域

本申请涉及光学测量领域，特别涉及一种光学无色差聚焦系统。

背景技术

一般来说，光学测量技术中的一个关键环节是将探测光束聚焦到样品上。随着半导体行业的快速发展，利用光学测量技术来精确地测量晶片上单层或多层薄膜形成的三维结构的临界尺度（CD，Critical Dimension）、空间形貌及材料特性变得十分重要。而且，本领域的技术人员公知，将宽带探测光束在样品表面上聚焦成相对较小尺寸的光斑是有利的，因为小尺寸光斑可以测量微结构图案，且宽带探测光束可以提高测量精确度。由于在不同波长下，透镜材料的折射率一般不同，在这种情况下，当采用透镜对宽光谱光束进行聚焦时，会存在如下问题：透镜通常具有色差，这样的色差会导致不同波长的光的聚焦位置不同，增大误差，降低测量精确度。而对于消色差透镜，虽然能在一定范围内减小透镜折射率造成的色差，但并不能完全消除色差。当应用在如专利申请201010593609.6中所述的分光光纤系统中时，则此类消色差透镜具有更多的局限性，例如，以Edmund公司型号为65029的消色差透镜为例，当光纤输出光束在样品上的聚焦光斑直径达到0.7mm时，不仅存在色差，而且其输出光束的光通效率很低，只有8%；而当调节光路，使光通效率达到27%时，则在样品表面会形成较大的紫光光斑，其直径大小约为1.5mm。此外，这种消色差透镜由于结构复杂，价格一般都非常昂贵。

本领域的技术人员也提出了另一种方法，使用曲面反射镜将宽带光束聚焦到样品表面上（例如，参见美国专利No.5608526和No.7505133B1、美国专利申请公开No.2007/0247624A1和中国专利申请公开No.101467306A）。这种方法具有如下好处：在整个宽光谱波长范围内，反射镜不会产生色差，并且可在较宽的波长范围内都具有高反射率。曲面反射镜的种类有球面反射镜、椭圆面反射镜、超环面反射镜（toroidal mirror），离轴抛物面反射镜等等，如图1所示，为采用超环面反射镜TM将发散光束会聚到样品表面的情形。非球面反射镜，如超环面反射镜、椭圆面反射镜和离轴抛物面反射镜由于其加工工艺复杂，价格也比较昂贵。球面反射镜加工比较简单，价格非常便宜，但由于其焦点位于主轴上，在实际应用中，一般使入射的平行光方向稍微偏离主轴，如图2所示。由于球面反射镜焦点调节范围非常有限，而一般的样品通常尺寸较大，为几百毫米，则仅利用球面反射镜将宽光谱光束聚焦到样品表面不易实现。

发明内容

本申请要解决的技术问题是提供一种结构简单、价格低廉并且可以用于垂直入射宽带光谱仪的光学无色差聚焦系统。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种光学无色差聚焦系统包括：第一曲面反射元件、第二曲面反射元件及第三曲面反射元件；

所述第一曲面反射元件，接收由点光源发射出的光束，并将该光束变成平行光束；

第二曲面反射元件，接收由第一曲面反射元件反射的所述平行光束；

所述第三曲面反射元件，接收由所述第二曲面反射元件反射的平行光束，将其变成会聚光束并垂直入射至测试样品的表面；

所述第一曲面反射元件、第二曲面反射元件及第三曲面反射元件构成交叉切尔尼-特纳结构。

本申请提供的光学无色差聚焦系统结构简单、价格低廉，光学测量时不会产生色差，并且可合理地改变入射光的传播方向，使其聚焦在样品表面，同时获得较为合适的工作距离。

附图说明

图1为采用超环面反射镜将发散光束会聚到样品表面的情形的示意图；

图2为利用球面反射镜将宽光谱光束聚焦到样品表面的示意图；

图3为切尔尼-特纳（Czerny-Turner）结构的示意图；

图4为本申请光学无色差聚焦的原理示意图；

图5为本申请实施例一提供的光学无色差聚焦系统的结构示意图；

图6为本申请实施例二提供的光学无色差聚焦系统的结构示意图。

具体实施方式

首先介绍一下切尔尼-特纳（Czerny-Turner）结构，如图3所示，该结构主要由凹面镜B、凹面镜E及位于其间的一个光栅D构成。来自入射狭缝B的复色光A通过第一凹面镜C后成为平行光，该平行光通过光栅衍射后入射到第二凹面镜E上，第二凹面镜E使特定波长的光束G通过光栅后聚焦在出射狭缝F。通过旋转光栅D，可改变通过出射狭缝F的光束G的波长，这就是单色仪的原理。若在出射狭缝位置放上光电二极管阵列（photo diode array），则就成为了光栅光谱仪(参见美国专利US5497230，US6507398)。

与现有技术的切尔尼-特纳结构相比，本发明的反射聚焦系统可采用价格低廉的球面反射镜代替凹面镜，而且利用平面反射镜代替光栅，从而实现反射聚焦。本法的反射聚焦系统与现有技术的切尔尼-特纳结构相比，仅在光路结构上类似，所用光学元件和应用目的均不相同。参见图4，假设探测光束的主光束与水平面的夹角为t，则由几何知识可知，若要使由球面反射镜3反射的光束的主光束垂直入射至水平的样品表面，应满足条件：

2α+β-t=90°，

若上述三面反射镜的位置固定不变，仅改变入射光束的入射方向，例如，使入射光束与水平面的夹角变为t+Δt，则光束在球面反射镜1上的偏转角度为α+2Δt，在平面反射镜2上的偏转角度为β-2Δt，在球面反射镜3上的偏转角度为由α-2Δt，由上式可以知道2α’+β’-t=90°+2Δt，即由最终由球面反射镜3反射的会聚光束的主光偏离原出射方向的夹角为2Δt。因此，由上述结论反推可知，若入射到样品上的入射光束的偏离竖直方向2Δt，可以在不改变该反射聚焦系统方位和角度的前提下，仅将入射到该反射聚焦系统的光束的主光束的入射方向改变Δt，即可以调整被该反射聚焦系统反射的光束的方向，使其重新垂直入射到样品表面。则本发明的聚焦系统可以通过微调入射光的方向，来控制出射光的出射方向。

对与水平方向的入射光，在入射光束在球面反射镜1和球面反射镜3上的入射角一定的情况，只需调整平面反射镜2的角度，使入射光在其上面的偏转角β满足2α+β=90°，即可使水平方向的光束经过上述反射聚焦系统后，垂直入射并聚焦到样品表面。以点光源射出的光在球面反射镜1和球面反射镜3上的入射角均为8°为例，即α=16°，则β=58°。本发明中，确定了三面反射镜相对的角度以后，还需要确定其反射镜之间的距离关系。本领域的技术人员可以知道，根据所需的工作距离及入射光的数值孔径，选择合适的球面反射镜的曲率半径，应用zemax软件进行模拟设计即可确定各个反射镜之间的距离关系，本领域的研究人员可以知道，对于球面反射镜来说，入射光束主光的偏转角度α越小，则其聚焦效果越好，但考虑到偏转角度越小，反射镜越容易遮光，本发明中入射光束在球面反射镜上的偏转角度优选为10-40度，即入射光束的主光在球面反射镜的入射角为5-20度。

此外，本发明中，入射光束在反射镜上的入射角均较小，则本发明中的反射聚焦系统不仅可以无色差地聚焦光束，还可以在一定程度上保持入射光束的偏振特性。

下面结合两个实施例对本发明提出的光学无色差聚焦系统进行进一步详细说明。图5为本发明的第一实施例的提出的光学无色差聚焦系统，其包含两个球面反射镜SPR1，SPR2和位于其间的一个平面反射镜M，该系统具有交叉切尔尼-特纳（Crossed-Czerny-Turner）结构，通过折叠光路来改变光束的传播方向，从而获得合适的工作空间，同时实现探测光束的无色差聚焦。点光源SO位于球面反射镜SPR1的焦点附近处，其发出的发散光束的主光平行于水平面，则经过点光源发出的发散光束经过球面反射镜SPR1的反射，偏转角度α（可以为16°）后形成平行光束，该平行光束入射至平面反射镜M后偏转角度β（可以为58°），然后入射至球面反射镜SPR2，球面反射镜SPR2使该平行光束偏转α（可以为16°）后垂直入射并聚焦至样品表面。为了避免平面反射镜遮挡光束，可以合适地设计平面反射镜M的中心与球面反射镜SPR1中心之间的距离。以球面反射镜的焦距为80mm，直径为20mm为例，若平面反射镜的直径也为20mm，则可使平面反射镜M的中心与球面反射镜SPR1中心之间的距离与到球面反射镜SPR2中心相等，并且该距离大于43mm。至此，通过本发明的反射聚焦系统，可以实现宽带光束无色差地垂直入射并聚焦至样品表面。球面反射镜SPR1，SPR2，平面反射镜M的法线在同一平面内。从图5可以看出，通过这种交叉切尔尼-特纳结构，不仅可以使点光源发出的发散光会聚至一点，更重要的是，在此过程中，还可以做到使入射光束的光路并不被各个光学元件遮挡，克服了光束在球面反射镜上小角度入射时容易挡光的缺陷，同时光束传播方向发生90°左右的改变，获得合适的工作空间，使聚焦光束可以垂直入射到尺寸较大的样品表面。此外，上述入射光束的主光在球面反射镜SPR2的偏转角度也可以与球面反射镜SPR1不同。本实施例中，由所述反射聚焦系统的反射的会聚光束的主光相对于入射至该球面反射镜SPR1时，偏转了90度，则由聚焦系统反射后的会聚光束的主光可以垂直入射到水平的样品表面。入射光束的主光在球面反射镜SPR1，平面反射镜M，球面反射镜SPR2上的入射面相同。对于不同的工作距离要求，可以改变球面反射镜的曲率半径，即焦距，也可同时改变各个反射镜之间的距离。

如图6所示，本发明第二实施例的光学无色差聚焦系统包括两个球面反射镜SPR1，SPR2和位于其间的一个平面反射镜M，该系统具有交叉切尔尼-特纳结构。点光源SO位于球面反射镜SPR1的焦点附近，其发出的发散光束的主光与水平方向的夹角为20°，该入射光束经过SPR1的反射后，偏转30°成为平行光束，该平行光束入射至平面反射镜M，经过平面反射镜M反射，该平行光束偏转50°后入射至球面反射镜SPR2，SPR2使该平行光束偏转30°，并成为会聚光束聚焦至样品表面，该会聚光束的主光垂直入射至样品表面。本实施例中，对于球面反射镜焦距为80mm，直径为20mm的情况，平面反射镜M的中心到SPR1中心的距离可以减小到25mm，相对于第一实施例，本实施例的反射聚焦系统结构更加紧凑，可获得更大的工作空间。本实施例中，由聚焦系统的反射的会聚光束的主光相对于入射至该聚焦系统时，偏转了110度，则由聚焦系统反射后的会聚光束的主光可以垂直入射到水平的样品表面。

本申请实施例提供的光学无色差聚焦系统具有以下有益效果：

1、结构简单、价格低廉，在光学测量时可以产生无色差的效果。

2、可以用来接收和传输光束，并且可合理地改变入射光的传播方向，使其聚焦在样品表面，同时获得较为合适的工作距离。

3、可以在一定程度上保持入射光束的偏振特性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照实例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种光学无色差聚焦系统，其特征在于，包括：第一曲面反射元件、第二曲面反射元件及平面反射镜；

所述第一曲面反射元件，接收由点光源发射出的光束，并将该光束变成平行光束；

所述平面反射镜，接收由第一曲面反射元件反射的所述平行光束；

所述第二曲面反射元件，接收由所述平面反射镜反射的平行光束，将其变成会聚光束并垂直入射至待测样品的表面；

所述第一曲面反射元件、平面反射镜及第二曲面反射元件构成交叉切尔尼-特纳结构；

所述第一曲面反射元件、第二曲面反射元件具有相同的镀膜参数、光学参数以及曲率半径；

所述第一曲面反射元件和所述第二曲面反射元件关于平面反射镜的中心法线对称；

光束在所述第一曲面反射元件，所述平面反射镜，所述第二曲面反射元件之间传播时，其主光始终处于同一平面内；若入射到样品上的入射光束的偏离竖直方向2Δt，可以在不改变该反射聚焦系统方位和角度的前提下，仅将入射到该反射聚焦系统的光束的主光束的入射方向改变Δt，即可以调整被该反射聚焦系统反射的光束的方向，使其重新垂直入射到样品表面。

2.根据权利要求1所述的光学无色差聚焦系统，其特征在于：

入射光束的主光在所述第一曲面反射元件和所述第二曲面反射元件上的入射角范围为5-20度。

3.根据权利要求1所述的光学无色差聚焦系统，其特征在于：

光束在第一曲面反射元件上的入射角和第二曲面反射元件上的入射角相等。

4.根据权利要求1所述的光学无色差聚焦系统，其特征在于：

由所述光学无色差聚焦系统反射后，所述会聚光束的主光方向与所述点光源发射出的光束的主光方向的夹角为70-110度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光学无色差聚焦系统，其特征在于：

所述第一曲面反射元件、第二曲面反射元件为球面反射镜。