CN113091624B - 一种探测反射光变化的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种探测反射光变化的装置及方法，通过透射具有第一偏振态的入射光束，并进行场强分割形成第一场强分布，准直汇聚具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束照射至物体表面以形成具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束；接收视场范围内具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束并准直以形成具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束；将具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束调整至第二偏振态后，进行场强分割以形成具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束，解析时间间隔内具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束变化信息，从而使得解析之后光强变化和成像位置偏差所形成的信号变化增强，提高探测器信噪比。

Description

一种探测反射光变化的装置及方法

技术领域

本发明属于声光量测系统，主要用于检测金属膜、介质膜的测量，具体来说，涉及一种探测反射光变化的装置及方法。

背景技术

目前现有技术中的声光量测原理如下：短脉冲激光照射在膜样品表面，膜样品吸收光子产生热弹性变形，表面形成形变区；热弹性变形产生光声信号在固体表面及内部传播；纵向声波传播到界面(基底或膜与膜的交界)处产生第一次回声信号；第一次回声信号到达上表面，使形变形貌进一步发生变化；回声信号碰到上表面后又回弹，回弹碰到界面后产生第二次回声信号；第二次回声信号到达上表面，使鼓包形貌再次发生变化，如图1中的设计示意图中所示，当然回声信号也可能包括三次以上。通过光探测器获取由形貌变化导致的入射光束的反射率变化，从而可获取两次反射率变化时间间隔，由此可计算得到膜样品厚度值。

而在具体的测量装置设置上，如图2中所示，泵浦激光1入射到薄膜样品2的表面产生形变区4，将入射探测光束5a打在形变区4上，由于回声回传时膜层表面的形变区形貌会发生变化，由于会导致形变区在回声信号的到达之时所产生的进一步形变会对反射光束5b产生影响，这种影响配合接收端的光学元件的使用，可能是幅度或者相位等各种影响，一般来说，探测模块6获取形貌变化导致的光反射幅度的变化，从而可获取的光信号幅度变化的时间间隔，通过膜厚计算公式得到膜厚值，如图2和图3的示意图中所示，由此，探测反射光束5b的变化对提高光声探测装置精度的影响尤其重要。

如图4中所示，为现有技术中的一种分析反射探测光的技术，经过形变区4区域反射的反射光束5b会被第一反射镜6c反射一半尺寸的圆形光斑(第一反射镜6c的位置设置尤其重要，其对反射光的反射光斑视场有筛选作用)，这部分会继续被第二反射镜6d反射至第二探测器6a中，而未被第一反射镜6c反射的另一半尺寸的圆形光斑会直接进入到第一探测器6b中。其中第一反射镜6c是被电机调整到目标位置，在无激发形变时探测器6a与6b接收到的光具有确定的光强比例，如1：1，但是，当形变4区域发生激发形变产生回声震荡，反射光束5b会发生时间相关性的微小角度变化，此时由于第一反射镜6c对光斑视场的分割作用不再是一半一半的关系，由于这种微小的角度变化会导致此时探测器6a和6b的光强读数会发生变化，通过多次实验可模拟计算反射光束5b角度的变化与两者光强读数变化的影响，进而可以计算反射光束5b角度的变化和光强的变化之间的关系，通过测得多次回声信号时间差便可计算出膜厚值。

但是，在上述的技术方案中，存在如下的问题：第一方面的问题是所应用光学系统的第一反射镜6c位置调整精度要求极高，并且对其稳定性也要求极高，该光学元件承担了对光线光斑视场分光的作用，对光路准直性和稳定性的要求较高，光路组装较为困难；第二方面是体现在光路的复杂性上，分别需要组装第一反射镜6c和第二反射镜6d，并且为满足一定角度内入射的光线都能够被有效反射折射，两者之间的平行准直和视场交错也需要被精确调整个设计，同时在检测出射光端还需要2个探测器，光学元件的使用增多也会导致成本增加；第三方面体现在探测精度上，由于对光路采用了分光，使得透射反射光进一步损耗，在反射探测光由于形变区造成的入射角度偏差所造成的光斑能量分解的变化率更难被检测，由此探测信噪比低，约为百万分之一，并且对探测光束腰发散角要求极高。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种探测反射光峰值变化的装置及方法，其在利用不同偏振态实现探测光的入射光束和出射光束的分离基础上，解析时间间隔内具有第四场强分布的反射光束变化信息，从而使得解析之后光强变化和成像位置偏差所形成的信号变化增强，提高探测器信噪比。

为解决上述技术问题，本发明首先提出了一种探测反射光变化的装置，该装置包括：

光束传输调整模块，用于透射具有第一偏振态的入射光束，接收并调整具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束至探测器的接收面；

光场调整模块，包括至少一个第一光瞳分割器和至少一个第二光瞳分割器，第一光瞳分割器用于将具有第一偏振态的入射光束进行场强分割以形成具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束；第二光瞳分割器用于将具有第二偏振态和第三场强分布的反射光束进行场强分割以形成具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束，射入光束传输调整模块，第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔径函数；

偏振态调整模块，用于透射具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束至准直模块，还用于将具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束调整至第二偏振态后射入光场调整模块；

准直模块，包括设置于偏振态调整模块的入射光路后的第一准直光学元件和设置于偏振态调整模块的反射光路前的第二准直光学元件，第一准直光学元件用于准直汇聚具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束照射至待测体表面以形成具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束，第二准直光学元件用于接收视场范围内具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束并准直以形成具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束射入偏振态调整模块；

解析模块，用于解析时间间隔内具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束变化信息。

作为本发明的进一步改进，第一光瞳分割器设置有多个第一类型通光结构和多个第二类型通光结构，第一类型通光结构和第二类型通光结构具有光通量的差别，以使得具有第一偏振态的入射光束被第一类型结构和第二类型结构扰动分割，成为具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束；

第二光瞳分割器设置有多个第三类型通光结构和多个第四类型通光结构，第三类型通光结构和第四类型通光结构具有光通量的差别，以使得具有第二偏振态和第三场强分布的反射光束被第三类型结构和第四类型结构扰动分割，成为具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束；

第一类型通光结构与第三类型通光结构一一对应，互相对应的第一类型通光结构和第三类型通光结构的形状相同。

作为本发明的进一步改进，通过设置第一准直光学元件的组成结构实现第一准直光学元件的视场调节，使得第一光瞳分割器的像清晰照射于待测体；通过设置第二准直光学元件的组成结构实现第二准直光学元件的视场调节，使得用具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束准直后射入偏振态调整模块。

作为本发明的进一步改进，多个第一类型通光结构对应的通光图案不同。

作为本发明的进一步改进，第一光瞳分割器及第二光瞳分割器为同一元件，第一准直光学元件及第二准直光学元件为同一元件，具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束垂直照射至待测体表面。

作为本发明的进一步改进，光束传输调整模块包括偏振分束镜。

作为本发明的进一步改进，第一偏振态为P偏振态，偏振态调整模块为四分之一波片，第二偏振态为S偏振态。

本发明还提出了一种探测反射光变化的方法，该方法包括：

透射具有第一偏振态的入射光束(5a)进入至少一个第一光瞳分割器，通过所述第一光瞳分割器将所述具有第一偏振态的入射光束(5a)进行场强分割以形成具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束，透射具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束至第一准直光学元件，通过第一准直光学元件准直汇聚具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束照射至待测体表面以形成具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束(5b)；

通过第二准直光学元件接收视场范围内具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束并准直以形成具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束，将具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束调整至第二偏振态后射入至少一个第二光瞳分割器，通过所述第二光瞳分割器将具有第二偏振态和第三场强分布的反射光束进行场强分割以形成具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束，接收并调整具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束至视觉系统(11)的接收面，所述第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔径函数；

解析时间间隔内具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束变化信息。

作为本发明的进一步改进，其中，所述第一光瞳分割器及所述第二光瞳分割器为同一元件，所述第一准直光学元件及所述第二准直光学元件为同一元件，所述具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束垂直照射至所述待测体表面。

为解决上述技术问题，本发明还提出了一种膜厚测量装置，包括：

猝发单元，在一个时间点从待测膜的上表面向下底面猝发多个激励源，以使待测膜上表面产生至少一形变区域；

提供上述的探测反射光束变化的装置，获取形变区域对应偏振反射光束信号强度峰值变化信息；

计算单元，根据峰值对应的时间间隔计算出待测膜样品的厚度。

相对于背景技术而言，本发明所涉及的技术方案，在技术效果上第一方面由双光束修改为单光束，不再采用双光束的检测方法，能够显著减小光学检测系统的复杂性；第二方面采用了光瞳分割方案，该方案通过光学系统的分析获得提高信号变化率检测的重要方面，入射电场、光瞳分割、光学准直聚焦元件的视场等相关参数，从而设计优化本检测方案，能够显著提高反射光的变化检测率。

附图说明

图1为现有技术中的声光测量系统的整体工作原理图。

图2为按照现有技术中进行声光测量技术的回声测量的探测光路结构示意图。

图3为按照现有技术中的回声测量的两次回声测量时间差的示意图；

图4为按照现有技术中的声光测量系统的光学光路结构示意图。

图5为按照本发明实现的声光测量装置的光路结构示意图；

图6为按照本发明实现的其中一种光瞳分割器具体实施方案的示意图；

图7为按照本发明实现的一种光瞳分割器成像信息示意图；

图8为不产生光瞳分割的光斑与反射角度变化之间对应的示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：

1-泵浦光源、2-薄膜样品、3-薄膜样品表面、4-形变区、5a-探测光束、5b-反射光束、6-探测模块、7-偏振分束镜、8-光瞳分割器、9-1/4波片、10-透镜组和11-视觉系统。

具体实施方式

应理解，以下为本实施例的不同特征的许多不同的实施例或例子。以下描述的构件与安排的特定例子，以简化说明实施例。当然，这些仅仅是例子而不是用以限制具体的实施方式。按照本发明的其中一种实施方式，本发明首先提出了一种声光探测中获得反射光探测变化的装置，能够显著提高探测光角度变化的测量精度，显著提高测量信噪比。

按照本发明实现的探测反射光角度变化的装置，该装置包括：

光束传输调整模块，用于透射具有第一偏振态的入射光束至光场调整模块，接收并调整具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束至探测器的接收面；

光场调整模块，包括至少一个第一光瞳分割器和至少一个第二光瞳分割器，第一光瞳分割器用于将具有第一偏振态的入射光束进行场强分割以形成具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束，射入偏振态调整模块；第二光瞳分割器用于将具有第二偏振态和第三场强分布的反射光束进行场强分割以形成具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束，射入光束传输调整模块，第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔径函数；

偏振态调整模块，用于透射具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束至准直模块，还用于将具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束调整至第二偏振态后射入光场调整模块；

准直模块，包括设置于偏振态调整模块的入射光路后的第一准直光学元件和设置于偏振态调整模块的反射光路前的第二准直光学元件，第一准直光学元件用于准直汇聚具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束照射至待测体表面以形成具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束，第二准直光学元件用于接收视场范围内具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束并准直以形成具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束射入偏振态调整模块；

解析模块，用于解析时间间隔内具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束变化信息。通过调整设置光束传输调整模块、光场调整模块和偏振态调整模块，使得入射光束以第一偏振态入射至物体表面，同时使得反射光束以第二偏振态入射至探测器的接收面，从而分离探测光的入射光束和出射光束。

优选的，第一光瞳分割器设置有多个第一类型通光结构和多个第二类型通光结构，第一类型通光结构和第二类型通光结构具有光通量的差别，以使得入射光束的场强分布被第一类型结构和第二类型结构扰动分割。通过设置于第二偏振态调整模块的入射光路后的第一准直光学元件，将经过所述第二偏振态调整模块的入射光束进行准直聚焦，使得所述第一光瞳分割器的像清晰照射于第二偏振态调整模块。第二光瞳分割器设置有多个第三类型通光结构和多个第四类型通光结构，第三类型通光结构和第四类型通光结构具有光通量的差别，以使得通过第二偏振态调整模块后的反射光束被进一步扰动分割为具有多个特征区域分布的光束，第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔径分割函数。第一类型通光结构与第三类型通光结构一一对应，互相对应的第一类型通光结构和第三类型通光结构的形状相同，通过在入射光路和反射光路上设置瞳面，对瞳面进行分割，提高探测器信噪比，结构简单，易于工程实现，减少探测器数量，降低成本。

作为进一步的优选，第一准直光学元件与第二准直光学元件组成光路准直系统，第一光瞳分割器设置于光路准直系统的入瞳位置，第二准直光学元件设置于光路准直系统的出瞳位置，由于第三场强分布特征接近第一场强分布特征，且第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔径函数，使得第一光瞳分割器的像叠加在第二光瞳分割器或有些微遮挡错位，而在光声扰动产生信号的变化之后，这种重合或者轻微的错位信号会发生变化，通过捕捉时间间隔内的信号变化信息，可以获得更加精确的检测结果。

作为一个优选的实施例，第一光瞳分割器及第二光瞳分割器为同一元件，第一准直光学元件及第二准直光学元件为同一元件，具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束垂直照射至所述待测体表面。如图5所示，探测光束5a带有与薄膜样品2表面垂直方向角度经过偏振分束镜7之后变成p偏振光(以第一偏振态为p偏振光为示例，当然第一偏振态也可以为s偏振光)，入射一光瞳分割器8，之后经过1/4波片9后被一透镜组10汇聚准直后入射至样品表面，样品由于泵浦激光1所造成的薄膜样品表面3中所形成的形变区4上，发生反射后的反射光束5b被一透镜组10发散准直，再通过1/4波片9变成s偏振光，经过光瞳分割器8之后达到视觉系统11，从而展开探测光的相关分析获得薄膜样品2的测量结果。其中，光瞳分割器8将具有第一偏振态(p偏振光)的入射探测光束5a进行场强分割使得具有第一偏振态的入射探测光束5a在光瞳分割器8的后表面形成第一场强分布，设置于光瞳分割器8光路后的透镜组10再将具有第一场强分布的入射光束准直汇聚后，照射至物体表面以形成具有第二场强分布的反射光束5b，透镜组10接收自身视场范围内所能接收的准直反射光束5b于1/4波片9的表面，再通过1/4波片9变成具有第二偏振态(s偏振光)的反射光束5b，并通过光瞳分割器8形成为第三场强分布，得到第三场强分布特征接近第一场强分布特征，由于反射光路和入射光路上的光瞳分割器8具有相同的孔径函数分割，光瞳分割器8接受具有第三场强分布的反射光束后，形成为第四场强分布并反射至偏振分束镜7，通过偏振分束镜7达到视觉系统11。由于泵浦光源1在薄膜样品2形成回声，该回声传播至形变区4，对具有第二场强分布的入射探测光束5a形成干扰形成反射光束5b，由此经过光瞳分割器8后的反射光束5b也会受回声干扰，故视觉系统11可探测到回声引起的时间相关性光强变化；解析装置，再对解析时间间隔内具有第四场强分布的反射光束变化信息进行解析，获得反射光束信号变化，得到第三场强分布特征接近第一场强分布特征，从而可以使得光瞳分割器8在入射光路的像叠加在光瞳分割器8的反射光路上或有些微遮挡错位，而在光声扰动产生信号的变化之后，这种重合或者轻微的错位信号会发生变化，通过捕捉时间间隔内的信号变化信息，可以获得更加精确的检测结果。

对于上述的整体实现反射光角度测量的光学系统，其中所涉及的光绪元器件中泵浦光源1也称激发光源，除Nd：YAG激光器之外的光源可用于光学激发薄膜，在具体的实施方式中，激光器也可以包括Nd：YLF，离子(例如氩和氪)，Ti：蓝宝石，二极管，C0₂，钬，准分子，染料和金属蒸气激光器等，上述泵浦光源1的作用是在样品表面产生形变区4，其波长、所产生激光脉冲能源、周期以及光束腰部的参数，可以根据薄膜样品2的薄膜的特性，以及其特性来进行设计。在其它的一些研究中，通常通过在泵浦光源1之后设置衍射元件，将泵浦光源1进行转化为带有衍射图案的光源入射薄膜样品2的表面，在这种基础之上，与聚焦的光斑所产生的鼓包不同，会产生有与衍射图案对应的形变，所形成的声光效应的变化会更复杂，也会更容易受到干扰而产生变化。

另外，对于本发明所涉及方案的具体实施方式中，泵浦光源1的类型，和是否与探测入射光的入射角度一致，并不做严格的限定，在整个光学检测系统中，通常也通过同时采集泵浦光的脉冲来作为泵浦光与探测入射探测光束5a泵浦与检测触发的参考信号源。

类似地，以上与泵浦光源类似的除了二极管激光器之外的光源可以选作探测激光器，可用于产生探测光束的脉冲光源包括Q开关Nd：YAG，Nd：YLF，Ti：蓝宝石，二极管，C0₂，钬，准分子，染料和金属蒸气激光器等。而本发明的设计方案中所涉及的入射探测光束5a对波长范围也具有较强的适应性，并不做严格的限定，但是对入射探测光束5a的准直性建议要求较高，使之与光学系统中的其它光学元件的视场权衡配合设计。

作为本发明的重要改进之一，为在探测光路中使用了光瞳分割器8，其中，上述光瞳分割方案中，首先需要采用光瞳分割器8为相对于入射探测光束5a具有至少两个通光部、限制光束通量的光学元件，其通光部可以为一维结构(x横向分割或y纵向分割或斜向分割入射探测光束5a)，或二维结构(任何形状的网格式分割或任何图案式分割入射探测光束5a形成)，又可为均匀分割或非均匀分割，都具有同原理提高信噪比作用。光瞳分割器8优选为在相对于入射探测光束5a光斑方向上具有尽可能多的光束分割结构为佳。

如图6中所示，为按照本发明的其中一种光瞳分割器的实施方式，为具有通光部和限制通光部为条状的结构，整体的光瞳分割器8为直径为D的圆盘状结构，其中通光部为条状通孔，遮蔽光束部为不透光的材料，本实施例中通光部和遮蔽光束部交替的周期条状结构为通光宽度为a,遮蔽光束部的宽度为b,整个周期结构为宽度为d(d＝a+b)，入射探测光束5a经过该光瞳分割器8之后，经过透镜组10之后光瞳分割器8成像汇聚于形变区4上，被薄膜结构光反射透射后最终被探测器接收，反射光束5b会受到形变区4的声扰动而发生变化，这种变化第一方面会体现在光瞳分割器8的像会发生一定程度的形变，第二方面会体现在光瞳分割器8的像受到扰动后在探测器成像部位的位置偏差，光瞳分割器8的条状像会在探测器的成像位置上发生微小的位置偏差，而这些信息被反映在探测器的成像端，被解析之后相较于图8中所示的圆形光斑的偏差，会携带关于扰动的更加多维的信息，从而获得更加精确的检测结果。

进一步优选地，该反射光束5b会经过光瞳分割器8的另一部分，其中另一部分的通光部为条状通孔，遮蔽光束部为不透光的材料，其中通光部和遮蔽光束部交替的周期条状结构为通光宽度为a,遮蔽光束部的宽度为b,整个周期结构为宽度为d(d＝a+b)，反射光束5b经过透镜组10之后准直照射于光瞳分割器8，优选的，光瞳分割器8的入射部分和反射部分的结构类似，其对应的通光部形状相同，大小成比例关系，且由于光瞳分割器8的入射部分和反射部分在光路系统中也优选为相同的相互对称的光学元件，光瞳分割器8入射光路的像叠加在光瞳分割器8的反射光路上或有些微遮挡错位，而在光声扰动产生信号的变化之后，这种重合或者轻微的错位信号会发生变化，分析探测器成像信息可获得更多信息。

当然，在以上的情况中，光瞳分割器8为一整体器件，可以显著节省光学系统的元件，简化光路，除了优选为左右对称的结构，上述光学元件可为不对称的结构，此时，入射光光阑像恰好与出射光的光阑的通光部与限制光部交叉，形成具有二维信息的图案成像，这种不对称的结构可能会在器件制备的时候增加工艺困难。

进一步地，其中光瞳分割器8与透镜组10的位置选择，其中在光学系统搭建调试过程中，以光瞳分割器8的清晰成像能照射于形变区4的表面为优选，不在焦点的模糊成像会显著增加成像图案分析的难度。

进一步地，为提高信噪比，通过理论推导调整入射探测光光束的场强分布或镜组视野范围，同样可以调制目标出射探测光光斑的场强分布，提高探测器信噪比。入射探测光束5a经过光瞳分割器8后会在样品表面产生衍射相干光，其过程为傅里叶转换，即光瞳分割器8上表面入射探测光束5a的场强分布为U(x₀,y₀)，光瞳分割器8下表面入射探测光束5a的场强分布为第一场强分布U(x′₀,y′₀)，随后入射探测光束5a经光瞳分割器8分割后，经过透镜组10汇聚后在形变区4表面的场强分布为第二场强分布U(x₁,y₁)，即：

其中，i为虚数符号，k为波数，z为光轴方向距离。

调制光瞳分割器8的孔径函数A(x₀,y₀)，可以得到入射探测光束5a在形变区4表面的场强分布为U(x₁,y₁)，透镜组10将视野范围内的部分场强分布U(x₁,y₁)的反射光束5b接收，由于对称光路系统，反射至光瞳分割器8下表面形成的反射光束5b的场强分布为第三场强U(x′₂,y′₂)，其场强分布会近似为入射探测光束5a经过光瞳分割器8下表面的第一场强分布U(x′₀,y′₀)，通过调制光瞳分割器8的孔径函数A(x₀,y₀)可以实现得到瞳分割器8上表面的第四场强分布U(x₂,y₂)，而第二场强分布为U(x₁,y₁)会受物品表面回声影响干扰，形成随回声返回时间相关性变化的第三场强分布，第三场强分布和光瞳分割器8的孔径函数A(x₀,y₀)再发生叠加错位可得到随回声时间相关性变化的高信噪比信号即第四场强分布U(x₂,y₂)，该信号会被视觉系统11接收。

更进一步地，入射光束于光瞳分割器8上表面的原始场强分布为U(x₀,y₀)，经过孔径函数为A(x₀,y₀)的光瞳分割器8后，在光瞳分割器8下表面的入射光束的第一场强分布U(x′₀,y′₀)为

入射探测光束5a到达形变区4表面第二场强分布为：

入射探测光束5a到达形变区4表面第二场强分布为U(x₁,y₁)，位于透镜组10视野范围内反射光至5b准直至光瞳分割器8下表面形成第三场强分布为U(x′₂,y′₂)即

反射光束5b经过光瞳分割器8，基于孔径函数A(x₀,y₀)形成为第四场强分布U(x₂,y₂),即

反射光束5b在光瞳分割器8上表面第四场强分布为U(x₂,y₂)，公式推导结论：最终信号U(x₂,y₂)与U(x₀,y₀)、A(x₀,y₀)、透镜组10视场有明确物理关系,目标为使

最大化。其中，θ为回声信号产生的反射光束5b角度变化，s为探测器接收面积，由于

与U(x₀,y₀)、A(x₀,y₀)、透镜组10视场有关系，利用光瞳分割器8的孔径函数A(x₀,y₀)更易于调制。

如图7所示，对于本发明的光瞳分割方案来说，在使用图6所示的光瞳分割器8之后，视觉系统11获取的最终信号为明暗交替的条纹图像，光瞳分割后的信号变化率为

f为透镜10的焦距；

如图8所示，对于现有技术中不进行光瞳分割的方案来说，

在笛卡尔坐标系中，R为瞳面上任一点到z轴的距离，x为瞳面上任一点到y轴的距离；

其中：η或者

由于通常光场强分布为高斯分布，结果将会更明显地看到η＞＞η₀；

因此，使用本发明的光瞳分割方案探测器所探测的信号跳动会较为明显，而不做分割情况下探测器所探测的信号跳动幅度很小，不易于识别。

另外，上述光瞳分割器8的主要核心在于光瞳大于等于2以上分割处理，光瞳分割器8的具体光学参数和工艺一致性问题，可依据实际应用情况优化设计解决，其制作材料可依据光学工艺条件来制备，并且考虑到光学系统中的反射效应等因素，进一步优选在光瞳分割器表面或者是背面进行涂膜减小光阑反射对探测光束5a的影响等，或者考虑到在光阑边缘处可能产生的衍射图样设计滤除元件，保持1级条纹的设计等都可依据上述核心来进行进一步设计。同时光阑本身可进行可调节瞳孔大小方式的设计，以方便进行多次测量减小光学系统硬件本身引起的对测量结果的扰动和误差，另外考虑到光学系统稳定性的影响，上述光阑的固定、调整设备可依据情况进行设计。

透镜组10为光学元件组合系统，完成对光路的准直，其能达到相应的光学功能即可，对其具体设置并不做严格限定。另外在光路上设置对光强的增益元件以弥补光阑带来的能量损耗也可依据具体情况展开设计。

可以用本发明所涉及的方法和装置监测的样品可以是块状的(例如，诸如金属或半导体的固体)，薄膜(例如，聚合物，半导体或金属膜)，流体，表面或表现出声光时间扰动的效应。典型的样品包括半导体工业中使用的金属膜，例如铝，钨，钛，钛：钨，钛或氧化物薄膜等。可以在这些样品中确定的材料特性包括机械，物理(例如，厚度)，弹性，(深度依赖和/或各向异性)扩散，基于粘附，热(例如，热扩散)和与之相关的粘性特性。如图7中所示，当光阑分割所造成的图像分割越丰富，所能提取的信息维度越丰富，例如在光阑像的位置变化的移动可检出反射光角度的变化，而其中的像的畸变或者形状的改变，可能意味着形变区4的光学特性造成的影响，当分割的图案越多，所能提取的共性特征和特定特征也越多，使得按照本发明使用的方案在后续的成像光的计算机分析中获得更高的分析精度。

按照本发明的另一种实施方式，提出了一种探测反射光变化的方法，该方法包括：

透射具有第一偏振态的入射光束进入至少一个第一光瞳分割器，通过第一光瞳分割器将具有第一偏振态的入射光束进行场强分割以形成具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束，透射具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束至第一准直光学元件，通过第一准直光学元件准直汇聚具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束照射至待测体表面以形成具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束；

通过第二准直光学元件接收视场范围内具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束并准直以形成具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束，将具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束调整至第二偏振态后射入至少一个第二光瞳分割器，通过第二光瞳分割器将具有第二偏振态和第三场强分布的反射光束进行场强分割以形成具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束，接收并调整具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束至探测器(11)的接收面，第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔径函数；

解析时间间隔内具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束变化信息。该方法的实现原理、技术效果与上述装置类似，此处不再赘述。

按照本发明的另一种实施方式，提出了一种膜厚测量装置，包括：

猝发单元，在一个时间点从待测膜的上表面向下底面猝发多个激励源，以使待测膜上表面产生至少一形变区域；

提供如上所述的探测反射光束变化的装置，获取形变区域对应偏振反射光束5b’信号强度峰值变化信息；

计算单元，根据峰值对应的时间间隔计算出待测膜样品的厚度。该装置的实现原理、技术效果与上述探测反射光束变化的装置类似，此处不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种探测反射光变化的装置，其特征在于，所述装置包括：

光束传输调整模块，用于透射具有第一偏振态的入射光束，接收并调整具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束至探测器的接收面；

光场调整模块，包括至少一个第一光瞳分割器和至少一个第二光瞳分割器，所述第一光瞳分割器用于将所述具有第一偏振态的入射光束进行场强分割以形成具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束；所述第二光瞳分割器用于将具有第二偏振态和第三场强分布的反射光束进行场强分割以形成具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束，射入光束传输调整模块，所述第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔径函数；

偏振态调整模块，用于透射具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束至准直模块，还用于将具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束调整至第二偏振态后射入所述光场调整模块；

准直模块，包括设置于所述偏振态调整模块的入射光路后的第一准直光学元件和设置于所述偏振态调整模块的反射光路前的第二准直光学元件，所述第一准直光学元件用于准直汇聚具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束照射至待测体表面以形成具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束，所述第二准直光学元件用于接收视场范围内具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束并准直以形成具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束射入偏振态调整模块；

解析模块，用于解析时间间隔内具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束变化信息。

2.如权利要求1所述的探测反射光变化的装置，其中，所述第一光瞳分割器设置有多个第一类型通光结构和多个第二类型通光结构，所述第一类型通光结构和所述第二类型通光结构具有光通量的差别，以使得所述具有第一偏振态的入射光束被所述第一类型通光结构和所述第二类型通光结构扰动分割，成为所述具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束；

所述第二光瞳分割器设置有多个第三类型通光结构和多个第四类型通光结构，所述第三类型通光结构和所述第四类型通光结构具有光通量的差别，以使得所述具有第二偏振态和第三场强分布的反射光束被所述第三类型通光结构和所述第四类型通光结构扰动分割，成为所述具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束；

所述第一类型通光结构与所述第三类型通光结构一一对应，互相对应的第一类型通光结构和第三类型通光结构的形状相同。

3.如权利要求2所述的探测反射光变化的装置，其中，通过设置所述第一准直光学元件的组成结构实现所述第一准直光学元件的视场调节，使得所述第一光瞳分割器的像清晰照射于所述待测体；通过设置所述第二准直光学元件的组成结构实现所述第二准直光学元件的视场调节，使得用具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束准直后射入所述偏振态调整模块。

4.如权利要求2所述的探测反射光变化的装置，其中，所述多个第一类型通光结构对应的通光图案不同。

5.如权利要求1-4中任一项所述的探测反射光变化的装置，其中，所述第一光瞳分割器及所述第二光瞳分割器为同一元件，所述第一准直光学元件及所述第二准直光学元件为同一元件，所述具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束垂直照射至所述待测体表面。

6.如权利要求5所述的探测反射光变化的装置，其中，所述光束传输调整模块包括偏振分束镜。

7.如权利要求5所述的探测反射光变化的装置，其中，所述第一偏振态为P偏振态，所述偏振态调整模块为四分之一波片，所述第二偏振态为S偏振态。

8.一种探测反射光变化的方法，其特征在于，所述方法包括：

透射具有第一偏振态的入射光束进入至少一个第一光瞳分割器，通过所述第一光瞳分割器将所述具有第一偏振态的入射光束进行场强分割以形成具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束，透射具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束至第一准直光学元件，通过第一准直光学元件准直汇聚具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束照射至待测体表面以形成具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束；

通过第二准直光学元件接收视场范围内具有第一偏振态和第二场强分布的反射光束并准直以形成具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束，将具有第一偏振态和第三场强分布的反射光束调整至第二偏振态后射入至少一个第二光瞳分割器，通过所述第二光瞳分割器将具有第二偏振态和第三场强分布的反射光束进行场强分割以形成具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束，接收并调整具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束至探测器的接收面，所述第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔径函数；

解析时间间隔内具有第二偏振态和第四场强分布的反射光束变化信息。

9.如权利要求8所述的一种探测反射光变化的方法，其中，所述第一光瞳分割器及所述第二光瞳分割器为同一元件，所述第一准直光学元件及所述第二准直光学元件为同一元件，所述具有第一偏振态和第一场强分布的入射光束垂直照射至所述待测体表面。

10.一种膜厚测量装置，其特征在于，包括：

猝发单元，在一个时间点从待测膜的上表面向下底面猝发多个激励源，以使所述待测膜上表面产生至少一形变区域；

提供如1-7中任一项所述的探测反射光变化的装置，获取所述形变区域对应偏振反射光束的信号强度峰值变化信息；

计算单元，根据峰值对应的时间间隔计算出待测膜样品的厚度。

Images