CN104535500B - 成像椭偏仪的系统参数校准方法 - Google Patents
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Abstract
一种成像椭偏仪系统参数的校准方法，可校准成像椭偏仪的系统参数，包括起偏器的偏振方向、检偏器的偏振方向、左右光栅尺的原点位置。该校准方法过程简单、准确，重复性高。校准完成后，无需调整系统部件即可直接测量，从而简化测量过程、提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量仪器技术领域，特别涉及成像椭偏仪的系统参数校准方法。
背景技术
科学史上,测量技术的每次进步,都能够推动科学的发展。作为研究材料表面科学的重要技术，其测量过程具有对样品非破坏性、非接触性以及高的测量精度等诸多优点，在光学工业、电子工业、生物化学、金属材料等越来越多的领域取得了广泛的应用。
图1所示为成像椭偏仪的系统示意图，该成像椭偏装置由激光器、1/4波片、准直器、起偏器、补偿器、旋转台、检偏器、双远心透镜、CCD相机、样品台、控制器、计算机、左光栅尺、右光栅尺和自准直仪组成；其中激光器、1/4波片、准直器、起偏器、补偿器组成入射臂，检偏器、双远心透镜、CCD相机组成反射臂，左光栅尺和右光栅尺安装在旋转台左右两侧弧上，左右光栅尺传感器分别安装在入射臂和反射臂上，左右光栅尺上各自有原点，根据左右光栅尺编码器反馈的脉冲数来记录入射臂和反射臂转过的角度，起偏器，检偏器分别由伺服电机控制旋转，根据伺服电机反馈脉冲数来记录起偏器和检偏器转过的角度，控制器控制入射臂、反射臂、起偏器、检偏器、补偿器的旋转，控制器记录并显示光栅尺编码器和伺服电机反馈的脉冲数，自准直仪固定在半圆形旋转台对称轴上，自准直仪出射光为指向旋转台圆心的法线方向，样品台用于对准样品，对样品进行倾斜调节和纵向调节。
基于成像椭偏测量法的原理如下：
激光器发射的光经过起偏器后，成为线偏振光，线偏振光经过1/4波片相位延迟器，产生椭偏光，该椭偏光照射到待测样品表面，所述的椭偏光经过待测样品表面后变为线偏振光，该线偏振光通过检偏器进入图像传感器，通过分析待测参考样品反射来的光的光强，得到待测样品表面的特征信息，即椭偏参数(Δ，ψ)。从上面成像椭偏测量法的原理看出，最重要的步骤就是利用成像椭偏测量系统获得样品的椭偏参数(Δ，ψ)，而成像椭偏参数(Δ，ψ)是入射角、波长、偏振器件的方位角和相位延迟等参数的函数，那么偏振器件的方位角和入射角的准确性就非常重要， 它们的精度直接影响测得的椭偏参数的精度，此外入射角的重要性还体现在如下方面：(1)当入射角设置为样品基底的Brewster角附近，测量灵敏度提高；(2)在不同的入射角下测量样品，可以获得样品更多的参量。
目前确定椭偏仪起偏器和检偏器的方位角，比较普遍的方法就是利用参考样品去校准椭偏仪的系统参数，具体方法如下：设置入射角等于参考样品的Brewster角，此时反射光变成只有s分量的完全偏振光，旋转检偏器，使得完全消光，那么检偏器的偏振方向必为p方向，从而确定检偏器的偏振方向，进而利用两偏振片的偏振方向垂直消光而确定起偏器的偏振方向。实际操作中这种方法有很多缺陷：
(1)参考样品的精度决定了起偏器和检偏器的方位角的准确性，若参考样品的Brewster角有偏差，直接导致起偏器和检偏器的方位角的偏差；
(2)要设置精确的入射角，那么就必须确定入射臂上光栅尺的原点位置，实际中常用的光栅尺原点是人为标定，然后利用外界条件去找到原点的位置，这样给方位角校准过程增加困难；
(3)实际操作中利用步进电机脉冲技术设置入射角和反射角，那么就存在电机失步或者惯性过冲的问题，从而影响了入射角和反射角的精度，进而影响起偏器和检偏器的方位角的确定。
申请号为201010137774的发明公开了一种用于椭偏测量系统中入射角度自动探测的装置，该装置实现了入射角自动探测，但是该装置需要在系统中多处安装位置探测装置，这就使得该装置结构复杂，而且位置探测装置的校准本身也是一个比较复杂的过程，限制了该自动探测装置在椭偏仪系统参数标定中的应用。由此可见，在成像椭偏测量系统中，如何确定起偏器和检偏器的方位角，以及入射角和反射角大小仍存在很多需要改进的地方。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种成像椭偏仪系统参数的校准方法，校准的系统参数包括起偏器的偏振方向、检偏器的偏振方向、左右光栅尺的原点位置。
本发明的技术解决方案如下：
一种成像椭偏仪系统参数的校准方法，其特点在于该校准方法包括以下步骤：
①调整自准直仪，使自准直仪的出射光方向通过成像椭偏仪旋转台的圆心，在 成像椭偏仪旋转台上沿自准直仪依次设置偏振分束器和直角棱镜，所述的直角棱镜的斜面向右直角边置于样品台上，调整所述的偏振分束器使所述的自准直仪出射的光正入射并经偏振分束器分为互相垂直的o光和e光，o光的偏振方向平行于入射面，e光的偏振方向垂直于入射面，o光经所述的直角棱镜的斜面反射，所述的直角棱镜的一个小于45°的锐角α摆在右边，打开激光器，调整所述的直角棱镜，使自准直仪出射光与激光器发射的光交于直角棱镜斜边上同一点，自准直仪出射的o光垂直于直角棱镜的直角边；
②转动反射臂，使反射臂的光栅尺传感器停在右光栅尺的原点，此时反射臂上的右光栅尺的读数为0，再缓慢旋转所述的反射臂，所述的CCD相机实时记录光强，当光强最小时，右光栅尺的读数为l1，得到反射臂和右光栅尺原点的夹角为θ1，根据光路的几何关系可推出右光栅尺原点与旋转台圆心连线和法线的夹角为2α-θ1，即右光栅尺原点位置与法线的夹角；
③此时固定反射臂，将控制检偏器的伺服电机复归机械原点，即伺服电机编码器读数为0，伺服电机驱动所述的检偏器缓慢旋转，所述的CCD相机实时记录光强，当光强最小或者完全消光时，此时检偏器的通光方向为s方向，此时在控制器调整控制检偏器的伺服电机的原点位置，使得伺服电机编码器读数为0时，检偏器的通光方向为s方向；
④将入射臂的1/4波片、准直器、补偿器卸下，将所述的直角棱镜的斜边向左摆放，直角棱镜的一个小于45°的锐角α摆在左边，再按上述步骤①调整所述的直角棱镜，关闭激光器，将所述的CCD相机安装在入射臂的激光器和起偏器之间的光路上；
⑤转动入射臂，使入射臂的光栅尺传感器停在左光栅尺的原点，此时入射臂上的左光栅尺的读数为0，再缓慢旋转所述的入射臂，所述的CCD相机实时记录光强，当光强最小时，左光栅尺的读数为l2，得到入射臂和左光栅尺原点的夹角为θ2，根据光路的几何关系可推出左光栅尺原点与旋转台圆心连线和法线的夹角为2α-θ2，即左光栅尺原点位置与法线的夹角；
⑥此时固定入射臂，将控制起偏器的伺服电机复归机械原点，即伺服电机编码器读数为0，伺服电机驱动所述的起偏器缓慢旋转，所述的CCD相机实时记录光强，当光强最小或者完全消光时，此时起偏器的通光方向为s方向，此时在控制器调整 控制起偏器的伺服电机的原点位置，使得伺服电机编码器读数为0时，检偏器的通光方向为s方向；
⑦将入射臂上的CCD相机卸下并装回所述的反射臂上，将所述的1/4波片、准直器、补偿器装回所述的入射臂，校准结束。
本发明的技术效果：
本发明提供了一种成像椭偏仪系统参数的校准方法，校准的系统参数包括起偏器的偏振方向、检偏器的偏振方向、左右光栅尺的原点位置。
本发明校准方法过程简单、准确，重复性高。校准完成后，无需调整系统部件即可直接测量，从而简化测量过程、提高测量精度。
附图说明
图1为成像椭偏仪的系统示意图；
图2为本发明的成像椭偏仪的系统参数校准方法的光路原理图；
具体实施方式
本发明用于成像椭偏仪的系统参数校准，其校准的系统参数包括起偏器的偏振方向、检偏器的偏振方向、左右光栅尺的原点位置。该方法校准的基本原理如下：当入射介质为一般电介质，线偏振光以某一入射角θ1入射时，设光波入射的两种不同介质折射率分别为n1和n2，入射角为θ1，折射角为θ2，把入射光波中的电矢量分解为垂直于入射面的s分量和平行于入射面的p分量，相应地，入射光的s分量和p分量表示为Es和Ep，反射光的s分量和p分量分别表示为Rs和Rp，折射光的s分量和p分量分别表示为Ds和Dp，根据下列菲涅尔公式(1)-(4)
设入射光的振动方位角为α1，反射角的振动方位角为α1'，由上述菲涅尔公式得到：
一般情况下，cos(θ1-θ2)≠cos(θ1+θ2)，由公式(5)可知当α1＝0°时，α1'＝0°，当α1＝90°，即入射光为p光时，反射光仍为p光，入射光为s光时，反射光为s光。
为了深入了解本发明，下面结合附图及具体实施例对本发明详细说明。
图1所示为成像椭偏仪的系统示意图。该装置由激光器1、1/4波片2、准直器3、起偏器4、补偿器5、旋转台6、检偏器7、双远心透镜8、CCD相机9、样品台10、控制器11、计算机12、左光栅尺13、右光栅尺17和自准直仪14组成；其中激光器1、1/4波片2、准直器3、起偏器4、补偿器5组成入射臂001，检偏器7、双远心透镜8、CCD相机9组成反射臂002；
所述的左光栅尺13和右光栅尺17安装在旋转台6左右两侧弧上，左右光栅尺传感器分别安装在入射臂001和反射臂002上，左右光栅尺上各自有原点，根据左右光栅尺编码器反馈的脉冲数来记录入射臂001和反射臂002转过的角度；
所述的起偏器4，检偏器7分别由伺服电机控制旋转，根据伺服电机反馈脉冲数来记录起偏器4和检偏器7转过的角度；
所述的控制器11控制入射臂001、反射臂002、起偏器4、检偏器7、补偿器5的旋转，控制器11记录并显示光栅尺13编码器和伺服电机反馈的脉冲数；
所述的自准直仪14固定在半圆形旋转台6对称轴上，所述自准直仪14出射光为指向旋转台圆心的法线方向；
所述的样品台10用于对准样品，对样品进行倾斜调节和纵向调节；
图2为本发明的成像椭偏仪系统参数的校准方法的光路原理图。
本发明成像椭偏仪系统参数校准的方法，该校准方法包括以下步骤：
①调整自准直仪14，使自准直仪14的出射光方向通过成像椭偏仪旋转台6的圆心，在成像椭偏仪旋转台6上沿自准直仪14依次设置偏振分束器15和直角棱镜16，所述的直角棱镜16的斜面向右直角边置于样品台上，调整所述的偏振分束器15使所述的自准直仪14出射的光正入射并经偏振分束器15分为互相垂直的o光和e光，o光的偏振方向平行于入射面，e光的偏振方向垂直于入射面，o光经所述的 直角棱镜16的斜面反射，所述的直角棱镜16的一个小于45°的锐角α摆在右边，打开激光器1，调整所述的直角棱镜16，使自准直仪14出射光与激光器1发射的光交于直角棱镜16斜边上同一点，自准直仪14出射的o光垂直于直角棱镜16的直角边；
②转动反射臂002，使反射臂002的光栅尺传感器停在右光栅尺17的原点，此时反射臂002上的右光栅尺17的读数为0，再缓慢旋转所述的反射臂002，所述的CCD相机9实时记录光强，当光强最小时，右光栅尺17的读数为l1，得到反射臂002和右光栅尺17原点的夹角为θ1，根据光路的几何关系可推出右光栅尺17原点与旋转台圆心连线和法线的夹角为2α-θ1，即右光栅尺17原点位置与法线的夹角；
③此时固定反射臂002，将控制检偏器7的伺服电机复归机械原点，即伺服电机编码器读数为0，伺服电机驱动所述的检偏器7缓慢旋转，所述的CCD相机9实时记录光强，当光强最小或者完全消光时，此时检偏器7的通光方向为s方向，此时在控制器11调整控制检偏器7的伺服电机的原点位置，使得伺服电机编码器读数为0时，检偏器7的通光方向为s方向；
④将入射臂001的1/4波片2、准直器3、补偿器5卸下，将所述的直角棱镜16的斜边向左摆放，直角棱镜16的一个小于45°的锐角α摆在左边，再按上述步骤①调整所述的直角棱镜16，关闭激光器1，将所述的CCD相机9安装在入射臂的激光器1和起偏器4之间的光路上；
⑤转动入射臂001，使入射臂001的光栅尺传感器停在左光栅尺13的原点，此时入射臂001上的左光栅尺13的读数为0，再缓慢旋转所述的入射臂001，所述的CCD相机实时记录光强，当光强最小时，左光栅尺13的读数为l2，得到入射臂001和左光栅尺13原点的夹角为θ2，根据光路的几何关系可推出左光栅尺13原点与旋转台圆心连线和法线的夹角为2α-θ2，即左光栅尺13原点位置与法线的夹角；
⑥此时固定入射臂001，将控制起偏器4的伺服电机复归机械原点，即伺服电机编码器读数为0，伺服电机驱动所述的起偏器4缓慢旋转，所述的CCD相机9实时记录光强，当光强最小或者完全消光时，此时起偏器4的通光方向为s方向，此时在控制器11调整控制起偏器4的伺服电机的原点位置，使得伺服电机编码器读数为0时，检偏器4的通光方向为s方向；
⑦将入射臂001上的CCD相机9卸下并装回所述的反射臂002上，将所述的1/4 波片2、准直器3、补偿器5装回所述的入射臂001，校准结束。
经本发明方法，获得了成像椭偏仪的准确的系统参数，包括起偏器的偏振方向、检偏器的偏振方向、左右光栅尺的原点位置。
Claims (1)
1.一种成像椭偏仪系统参数的校准方法，其特征在于该校准方法包括以下步骤：
①调整自准直仪(14)，使自准直仪(14)的出射光方向通过成像椭偏仪旋转台(6)的圆心，在成像椭偏仪旋转台(6)上沿自准直仪(14)依次设置偏振分束器(15)和直角棱镜(16)，所述的直角棱镜(16)的斜面向右直角边置于样品台上，调整所述的偏振分束器(15)使所述的自准直仪(14)出射的光正入射并经偏振分束器(15)分为互相垂直的o光和e光，o光的偏振方向平行于入射面，e光的偏振方向垂直于入射面，o光经所述的直角棱镜(16)的斜面反射，所述的直角棱镜(16)的一个小于45°的锐角α摆在右边，打开激光器(1)，调整所述的直角棱镜(16)，使自准直仪(14)出射光与激光器1发射的光交于直角棱镜(16)斜边上同一点，自准直仪(14)出射的o光垂直于直角棱镜(16)的直角边；
②转动反射臂(002)，使反射臂(002)的光栅尺传感器停在右光栅尺(17)的原点，此时反射臂(002)上的右光栅尺(17)的读数为0，再缓慢旋转所述的反射臂(002)，CCD相机(9)实时记录光强，当光强最小时，右光栅尺(17)的读数为l1，得到反射臂(002)和右光栅尺(17)原点的夹角为θ1，根据光路的几何关系可推出右光栅尺(17)原点与旋转台圆心连线和法线的夹角为2α-θ1，即右光栅尺(17)原点位置与法线的夹角；
③此时固定反射臂(002)，将控制检偏器(7)的伺服电机复归机械原点，即伺服电机编码器读数为0，伺服电机驱动所述的检偏器(7)缓慢旋转，所述的CCD相机(9)实时记录光强，当光强最小或者完全消光时，此时检偏器(7)的通光方向为s方向，此时在控制器(11)调整控制检偏器(7)的伺服电机的原点位置，使得伺服电机编码器读数为0时，检偏器(7)的通光方向为s方向；
④将入射臂(001)的1/4波片(2)、准直器(3)、补偿器(5)卸下，将所述的直角棱镜(16)的斜边向左摆放，直角棱镜(16)的一个小于45°的锐角α摆在左边，再按上述步骤①调整所述的直角棱镜(16)，关闭激光器(1)，将所述的CCD相机(9)安装在入射臂的激光器(1)和起偏器(4)之间的光路上；
⑤转动入射臂(001)，使入射臂(001)的光栅尺传感器停在左光栅尺(13)的原点，此时入射臂(001)上的左光栅尺(13)的读数为0，再缓慢旋转所述的入射臂(001)，所述的CCD相机实时记录光强，当光强最小时，左光栅尺(13)的读数为l2，得到入射臂001和左光栅尺(13)原点的夹角为θ2，根据光路的几何关系可推出左光栅尺(13)原点与旋转台圆心连线和法线的夹角为2α-θ2，即左光栅尺(13)原点位置与法线的夹角；
⑥此时固定入射臂(001)，将控制起偏器(4)的伺服电机复归机械原点，即伺服电机编码器读数为0，伺服电机驱动所述的起偏器(4)缓慢旋转，所述的CCD相机(9)实时记录光强，当光强最小或者完全消光时，此时起偏器(4)的通光方向为s方向，此时在控制器(11)调整控制起偏器(4)的伺服电机的原点位置，使得伺服电机编码器读数为0时，起偏器(4)的通光方向为s方向；
⑦将入射臂(001)上的CCD相机(9)卸下并装回所述的反射臂(002)上，将所述的1/4波片(2)、准直器(3)、补偿器(5)装回所述的入射臂(001)，校准结束。
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