CN113155040A - 一种探测反射光束角度变化的装置、方法及膜厚测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种探测反射光束角度变化的装置、方法及膜厚测量装置，该装置包括探测光源，用于产生偏振态的入射光束；至少一光隔离器，用于接受入射光束形成偏振入射光束透射至光束调整模块，偏振入射光束平行于第一入射光束；还用于接收经光束调整模块调整后反射光束形成偏振反射光束并与入射光束的传输方向呈相对分开角度射出；光束调整模块，用于调整偏振入射光束的场强分布并使其射入待测体表面；还用于接收自身视场范围内准直反射光束并进一步调整反射光束场强分布使其射入光隔离器。本发明利用双折射晶体和法拉第旋光片分离探测光的入射光束和出射光束，并在入射光路上设置瞳面，对瞳面进行分割，提高探测器信噪比，该装置结构简单，易于工程实现。

Description

一种探测反射光束角度变化的装置、方法及膜厚测量装置

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主要基于如下：短脉冲激光照射在膜样品表面，待测膜2 吸收光子产生热弹性变形，表面形成形变区；热弹性变形产生声波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，由此可计算得到膜待测膜2厚度值。

而在具体的测量装置设置上，如图2中所示，猝发单元1入射到待测膜2的表面产生形变区4，将入射探测光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探测光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，探测反射探测光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区域反射的探测光5b会被第一反射镜6c反射一半尺寸的圆形光斑(反射镜6c的位置设置尤其重要，其对反射光的反射光斑场强有筛选作用)，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，在无激发形变时第一探测器6a与第二探测器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，反射探测光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对光斑场强的分割作用不再是存在设定比例的关系，由于这种微小的角度变化导致此时探测器6a和6b的光强读数发生变化，通过多次实验可模拟计算反射探测光5b角度的变化与两者光强读数变化的影响，进而可以计算反射探测光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场强分光的作用，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场强交错也需要被精确调整和设计，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，并且对入射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束角度变化的装置及方法，利用双折射晶体和法拉第旋光片分离探测光的入射光束和出射光束，并在探测光的入射光束上设置瞳面，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。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种探测反射光束变化的装置，包括：

探测光源，产生具有至少一种偏振态的第一入射光束；

光隔离器，用于接受第一入射光束形成至少一束偏振入射光束透射至光束调整模块，所述偏振入射光束平行于所述第一入射光束；还用于接收经光束调整模块调整后反射光束形成至少一束偏振反射光束并与所述入射光束的传输方向呈相对分开角度射出；

光束调整模块，设置于所述光隔离器远离所述探测光源的一侧，用于调整所述偏振入射光束的场强分布并使其射入待测体表面；还用于接收自身视场范围内准直反射光束并进一步调整所述反射光束场强分布使其射入所述光隔离器；

至少一探测器，用于探测通过所述光隔离器后的偏振反射光束以获取所述偏振反射光束的光强；

解析装置，用于对所述偏振反射光束时间相关性光强变化信息进行解析。

进一步地，所述光隔离器沿所述第一入射光束传输方向包括第一双折射晶体、法拉第旋光片、第二双折射晶体，所述法拉第旋光片外围设置有可变磁场施加元件；

所述第一双折射晶体和所述第二双折射晶体为相同尺寸的楔形双折射晶体；

所述第一入射光束经由所述第一双折射晶体形成为至少一束偏振态光束，其中至少一束偏振入射光束经所述法拉第旋光片和所述第二双折射晶体后透射至所述光束调整模块。

进一步地，所述光束调整模块包括：

至少一光瞳分割器，设置于所述光隔离器远离所述探测光源的一侧，包括第一表面和第二表面，用于将所述偏振入射光束场强进行分割使其在所述光瞳分割器第一表面形成为第一场强分布；还用于调整通过准直光学元件后的反射光束使其在所述光瞳分割器第二表面形成为第四场强分布；

至少一准直光学元件，设置于靠近所述光瞳分割器的所述第一表面的一侧，用于将通过所述光瞳分割器后的入射光束聚焦至待测体表面形成为第二场强分布；还用于接收自身视场范围内准直反射光束于所述光瞳分割器的第一表面形成为第三场强分布。

进一步地，所述第三场强分布产生的图案特征与所述第一场强分布产生的图案特征相近。

进一步地，所述光瞳分割器设置有多个不同类型通光部的结构，所述不同类型通光部具有光通量的差别，以使得所述偏振入射光束或反射光束的场强被所述多个不同类型通光部的结构扰动分割。

进一步地，所述光瞳分割器设置有多个通光部和多个约束通光部的结构，以使得所述偏振入射光束或反射光束的场强被所述多个通光部和多个约束通光部的结构扰动分割。

本发明第二方面提供一种探测反射光束变化的方法，所述方法包括：

提供具有至少一种偏振态的第一入射光束，在所述第一入射光束传输路径上侧依次设置光隔离器和光束调整模块；

所述入射光束通过所述光隔离器形成至少一束偏振入射光束透射至光束调整模块，所述偏振入射光束平行于所述第一入射光束；

使用所述光束调整模块调整所述偏振入射光束的场强分布并使其射入待测体表面；

使用所述光束调整模块接收自身视场范围内准直反射光束并进一步调整所述反射光束场强分布使其射入所述光隔离器；所述反射光束经过所述光隔离器后形成至少一束偏振反射光束并与所述入射光束的传输方向呈相对分开角度射出；

解析所述第一入射光束通过所述待测体反射后的反射光束时间相关性光强变化获得反射光束变化信息。

进一步地，所述光束调整模块包括至少一光瞳分割器和至少一准直光学元件；

所述使用所述光束调整模块调整所述偏振入射光束的场强分布并使其射入待测体表面，包括：使用所述光瞳分割器对所述偏振入射光束场强进行分割使其在所述光瞳分割器第一表面形成为第一场强分布；再通过所述光路准直元件将所述偏振入射光束聚焦至待测体表面形成为第二场强分布；

所述使用所述光束调整模块接收自身视场范围内准直反射光束并进一步调整所述反射光束场强分布使其射入所述光隔离器，包括：使用所述光路准直元件接收自身视场范围内准直反射光束于所述光瞳分割器的第一表面形成为第三场强分布；再通过所述光瞳分割器后调整所述反射光束使其在所述光瞳分割系统第二表面形成为第四场强分布；

其中，所述第三场强分布产生的图案特征与所述第一场强分布产生的图案特征相近。

进一步地，所述光瞳分割器设置有多个不同类型通光部的结构，所述不同类型通光部具有光通量的差别，以使得所述偏振入射光束或反射光束的场强被所述多个不同类型通光部的结构扰动分割。

进一步地，所述方法还包括：

将探测器感应区域设置于所述偏振反射光束传输路径上；或者，调整经过所述光隔离器的偏振反射光束射入探测器感应区域。

本发明第三方面提供一种膜厚测量装置，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，以使所述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，获取所述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；第二方面采用了光隔离器，通过调节光隔离器中第一、第二双折射晶体光轴夹角和法拉第旋光片的理论旋光角度，从而调整入射光束入射角度和反射光束的反射角度，可以使入射和射出传输方向的角度相对分开，还可以将光束转化为偏振光束，使得探测光信号偏振态单一，提高检测精度；第三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，入射场强、光瞳分割、光学准直聚焦元件的场强等相关参数，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隔离器具体实施方案的示意图；

图7为按照本发明实现的其中一种二级光隔离器具体实施方案的示意图；

图8为按照本发明实现的其中一种光瞳分割组件具体实施方案的示意图；

图9为按照本发明实现的一种光瞳分割组件成像信息示意图；

图10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，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

猝发单元-1；待测膜-2；待测膜上表面-3a；待测膜下底面-3b；待测膜形变区-4，第一入射光束-5a；偏振入射光束-5a’；反射光束-5b；偏振反射光束-5b’；现有声光测量系统探测模块-6；第一探测器-6a；第二探测器-6b；第一反射镜-6c；第二反射镜-6d；光隔离器-7；第一双折射晶体-7a；法拉第旋光片-7b；第二双折射晶体-7c；光瞳分割器-8；准直光学元件-9；探测器-11。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，本发明涉及的术语“第一\第二”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述或图示的那些以外的顺序实施。

根据本发明一种实施方式，首先提出了一种声光探测中获得反射光束探测角度变化的装置与方法，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。提供一种探测反射光束变化的装置，包括：探测光源，产生具有至少一种偏振态的第一入射光束5a；光隔离器7，设置于第一入射光束5a和反射光束5b传输路径上，具有使两个方向传输光偏振态发生旋转的非互易性的光学性能；探测器11，接收经由光隔离器7传播后偏振反射光束 5b’。其中，入射光束5a经由光隔离器7形成至少一束偏振入射光束5a’射出；反射光束5b经由光隔离器7形成至少一束偏振反射光束5b’与第一入射光束5a的传输方向呈相对分开角度射出。

本实施例中，如图5中所示，该探测反射光束变化的装置还包括光束调整模块，该光束调整模块包括至少一光瞳分割组件8和至少一准直光学组件9，具体光路传输路径为：第一入射光束5a以一定入射角射入光隔离器7，经由该光隔离器7形成至少一束偏振入射光束 5a’射出，该偏振入射光束5a’与第一入射光束5a传输方向平行，该偏振入射光束5a’再以相同的入射角射入一光瞳分割组件8，之后被准直光学组件9汇聚准直后入射待测膜2由于猝发单元1所造成的待测膜2上表面3a中所形成的形变区4上，发生反射后的反射光束5b通过同一准直光学组件9后经过同一光瞳分割组件8之后达到同一光隔离器7，该反射光束5b 经由该光隔离器7形成至少一束偏振反射光束5b’，该偏振反射光束5b’与入射光束5a传输方向呈相对分开角度射出至探测器11，从而展开探测光的相关分析获得待测膜2的测量结果。

进一步地，第一入射光束5a以一定入射角射入光隔离器7，经由该光隔离器7形成至少一束偏振入射光束5a’射出，该偏振入射光束5a’与第一入射光束5a传输方向平行，该偏振入射光束5a’再以相同的入射角射入一光瞳分割组件8，并在光瞳分割器8下表面形成为第一场强分布，设置于光瞳分割器8光路后的透镜组9再将偏振入射光束5a’汇聚至形变区 4表面形成为第二场强分布，该偏振入射光束5a’经形变区4表面发生反射，同一透镜组9接收自身视场范围内所能接收的准直反射光束5b于同一光瞳分割器8下表面，并形成为第三场强分布，其中第三场强分布特征接近第一场强分布特征；光瞳分割器8接受反射光束5b后，基于第三场强分布在光瞳分割器8上表面形成为第四场强分布并反射至同一光隔离器7，该反射光束5b经由该光隔离器7形成至少一束偏振反射光束5b’，该偏振反射光束5b’与入射光束5a传输方向呈相对分开角度射出至探测器11，探测器11用于探测经过光隔离器7后的偏振反射光束5b’，以获取偏振反射光束5b’的光强。由于猝发单元1在待测膜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偏振入射光束5a’形成干扰形成反射光束5b，由此经过光隔离器7后的偏振反射光束5b’也会受回声干扰，故探测器11可探测到回声引起的时间相关性光强变化；解析装置再对该偏振反射光束5b’时间相关性光强变化信息进行解析，获得偏振反射光束5b’信号变化。

作为本发明实施例的重要改进之一，为在探测光路中使用了光隔离器7，该光隔离器7 可使入射和反射传输方向呈相对分开角度；优选地，通过对光隔离器7进行调整后可使从第一端口输入的第一入射光束和从第二端口输出的入射光束的传输方向平行，反过来，从第二端口输入的反射光束和从第一端口输出的反射光束的传输方向呈相对分开角度；此外，第一入射光束5a经过光隔离器7后存在至少一条偏振光准直射出。更优选地，为提高信噪比，可将第一入射光束5a直接设置为偏振光或者在光隔离器7内设置半波片或者滤波片，使第一入射光束5a的偏振态统一。

提供一种具体地实施方式，光隔离器7沿入射光束5a传输方向包括第一双折射晶体7a、法拉第旋光片7b、第二双折射晶体7c，法拉第旋光片7b外围设置有可变磁场施加元件7d，第一双折射晶体(7a)和第二双折射晶体(7c)为相同尺寸的楔形双折射晶体。如图5所示，入射光束5a依次透过双折射晶体7a，法拉第旋光片7b，双折射晶体7c后，存在至少一偏振入射光束5a’准直射入经光瞳分割组件8，再经过准直光学组件9汇聚在形变区4；在形变区4表面原路反射回来的反射光束5b被准直光学组件9接收准直，再经过光瞳分割组件8，随后依次透过第二双折射晶体7c、法拉第旋光片7b、第一双折射晶体7a，再以一定角度斜向射出第一双折射晶体7a，达到与入射光束分离效果，最终进入探测器11中。

本实施例中，第一入射光束5a为线偏振光，将第一双折射晶体7a的光轴与第二双折射晶体7c的光轴的夹角设定为45°，并设定法拉第旋光片7b使的第一入射光束5a偏振态顺时旋转45°。如图6，以第一入射光束5a偏振方向E0为y方向为例，第一双折射晶体7a光轴方向为x方向，由于第一双折射晶体7a光轴和第一入射光线束5a光偏振方向E0夹角90°，则进入到第一双折射晶体7a的光为o光，o光的偏振方向E0仍为y方向；第一双折射晶体 7a对于o光折射率为no。o光束随后进入到法拉第旋光片7b，法拉第旋光片7b经设置使得o光的偏振方向在x-y平面内旋转45°，也即其偏振方向变为E1，E1与E0的夹角为45°。由于第一双折射晶体7a的光轴与第二双折射晶体7c的光轴的夹角为45°，第二双折射晶体 7c光轴依旧和在第二双折射晶体7c中传播的光束的偏振方向为90°夹角，也即在第二双折射晶体7c中传播的光束依旧是o光；第二双折射晶体7c对于o光折射率依旧为no。从第二双折射晶体7c透射出的o光即为入射光束5a’，其偏振方向仍为E1，入射光束5a’沿如图5 所示的剩余光器件传播并入射至待测膜2表面，由于入射光束5a’照射到待测膜2表面会有半波损失，反射光束5b偏振方向E2与入射光束5a’偏振方向E1为180°，也即反射光束5b 偏振方向E2与E1方向相反，反射光束5b在第二双折射晶体7c中依旧是o光传播；第二双折射晶体7c对于o光折射率依旧为no。之后反射光束5b穿过法拉第旋光片7b，根据法拉第旋光片的非互易性，反射光束5b的偏振方向被旋转45°至x轴方向，即从法拉第旋光片上表面出射的光束偏振方向为E3。由于第一双折射晶体7a的光轴方向为x方向，且与E3同轴反方向，故反射光束在第一双折射晶体7a中为e光传播，第一双折射晶体7a对于e光折射率变为ne。由于反射光束在第一双折射晶体7a中有折射率的变化，也即反射光束经过第一双折射晶体7a后传播方向发生偏转，离开第一双折射晶体7a上表面的反射光束5b’会与第一入射光束5a角度错开，进入到探测器11中。具体地，双折射晶体的光轴为一个光束传播不发生双折射的方向。优选地，第一双折射晶体7a和第二双折射晶体7c为形状大小相同的楔形双折射晶体，优选地，该楔形双折射晶体的设置为光轴均与入射样品2的表面平行，更优选地，设置入射光束5a与第一双折射晶体7a和第二双折射晶体7c垂直，则入射光束 5a可垂直入射至待测体4表面。两个形状大小相同的楔形双折射晶体，可以视为一个组合到一起的一个平行四边形晶体。当正向第一入射光5a穿过组合的平行四边形晶体后，可以形成平行于正向第一入射光束5a的正向出射光5’，从而有利于光路调节。同时，楔形双折射晶体的斜面可以使得穿透光隔离器的入射光束5a’和出射于光隔离器的反向光束5b’具有夹角，由于第一入射光束5a平行与入射光束5a’，所以反向光束5b’偏离第一入射光束5a，从而起到分离作用，便于反向光束5b’的探测。

具体地，可变磁场施加元件7d为感应线圈或者筒状永久磁铁，其被设置为不阻挡传输光路。因此无论光束从上至下还是从下至上穿过法拉第旋光片7b，其偏振旋转方向从各自传播方向看都是同方向，其旋转方向只与外加磁场方向有关。旋转角度Φ＝VBL,其中V为费尔德常数，B为磁场，L为法拉第旋光片晶体在光传播方向的长度。图6中的法拉第旋光片长度L和磁场大小B要满足入射光束波长下的偏振方向旋转45°。

提供另一种具体地实施方式，在该探测反射光束变化的装置中连续设置两个光隔离器 7，设置一个光隔离器7存在传输光的“平行位移”和“偏振模色散”等不足，因此提出了两级结构的光隔离器7的探测反射光束变化的装置，如图7所示，通过采用两级互补结构，使进入Ⅱ级光隔离器7中的o光和e光与Ⅰ级光隔离器7中的o光和e光相互对换，即在Ⅰ级光隔离器7中的o光进入Ⅱ级光隔离器7后成为e光，而e光则变为o光。这样两束光在Ⅰ级光隔离器7产生的光程差和位移，在Ⅱ级光隔离器7中正好得到了反向补偿，从而消除了平行位移和偏振模色散。同样，反射光束5b被Ⅱ级光隔离器7发散一定的角度后，又进入Ⅰ级光隔离器7，同样可与入射光束5a的传输方向呈相对分开角度射出。

具体地，在探测反射光束变化过程中可以将探测器11感应区域设置于所述偏振反射光束5b’传输路径上；或者，通过调整经过光隔离器7的偏振反射光束5b’射入探测器11感应区域。

作为本发明的重要改进之二，为在探测光路中使用光瞳分割器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的场强设置有多个不同类型通光部的结构，该不同类型通光部具有光通量的差别，以使得偏振入射光束5a’或反射光束 5b的场强被多个不同类型通光部的结构扰动分割。进一步地，光瞳分割器8具有至少两个通光部、限制光通光部结构的光学元件，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)，或二维结构(任何形状的网格式分割或任何图案式分割)，作为二维结构时，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，其中上述通光部和限制光通光部优选为在相对于入射光束5a光斑方向上具有尽可能多的分割结构为佳。

提供一种具体地实施方式，如图8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，其中限制光通量的部分为不透光的材料，其中本实施例中周期条状结构为通光宽度为a,限制光通量的宽度为b,整个周期结构的宽度为d，偏振入射光束5a’经过该光瞳分割器8 之后，对该偏振入射光束5a’场强进行分割，经过透镜组9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，再经透镜组9和光瞳分割器8透射后经光隔离器7形成偏振反射光束5b’，最终被探测器11接收，偏振反射光束5b’会受到形变区4的回声扰动而发生变化，故探测器11可探测到回声引起的时间相关性光强变化，即偏振反射光束5b’信号变化。更进一步地，这种变化第一方面会体现在光阑发生一定程度的光强变化，第二方面可能会体现在光阑的像受到扰动后在探测器11成像部位的位置偏差，光阑的条状像会在探测器的成像位置上发生微小的位置偏差。最终被解析之后光强变化和成像位置偏差所形成的信号变化相较于图10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。

提供另一种具体地实施方式，该反射光束5b会经过光瞳分割器8的另外一部分，按照其中的一种实施方式，光瞳分割器8为一整体器件，并且为左右对称，由于透镜组9在光路系统中也优选为相同的相互对称的光学元件，这部分的入射光光阑像恰好与出射光的光阑的通光部与限制光部重合，或者发生些微的遮挡，而在光声扰动产生信号的变化之后，这种重合或者轻微的遮挡信号会发生变化，分析探测器11光强变化信息可获得更多信息。

当然，在以上的情况中，光瞳分割组件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，入射光束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。

具体地，其中光瞳分割器8与透镜组9的位置选择，其中在光学系统搭建调试过程中，光瞳分割器8位于透镜组9的瞳面上，并以透过光瞳分割器8的平行光束清晰成像于形变区 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。

总之，上述光瞳分割方案中，首先需要采用光瞳分割器8为具有至少两个通光孔、限制光束通量的光学元件，其可以为一维光栅(x横向光栅分割，y纵向光栅分割，斜向分割)，或二维光栅(任何形状的网格式分割或任何图案式分割)，又可为均匀光栅分割或非均匀光栅分割，都具有同原理提高信噪比作用。利用一组光学透镜组，一个光瞳分割器，可大大缩小空间尺寸需求和成本，如图9中的，示出分割后的光阑图案比较的效果示意图，在光路系统作用下光瞳分割器8的像会覆盖到其本身下表面上。当反猝发单元1产生鼓包，回声引起反射光束5b角度变化，则光瞳分割器8左半侧的像会和右半侧的光瞳分割器8右半侧产生错位，进而得到进入到探测器11的光强会发生时间相关性的变化，且信噪比远高于现有方案。

具体地，光瞳分割器8对偏振入射光束5a’场强进行分割的区域与对反射光束5b进行分割的区域为轴对称结构。当设置为左右对称的结构光瞳分割系统时，则左右对称的结构光瞳分割器相对于偏振入射光束5a’和反射光束5b呈轴对称。按照图5所示的的实施方式，光瞳分割器8为一整体器件，则入瞳的入射光路和出瞳的出射光路为轴对称。

具体地，偏振入射光束5a’、5a带有微小角度入射光瞳分割组件8，其中上述角度优选为与垂直于薄膜平面的方向成约0°～15°，太大角度的成像不利于视场范围的控制，太小的入射角度不利于区分入射与反射光束，尤其是在本发明优选实施例中，采用垂直于薄膜表面的入射光束。

具体地，为提高信噪比，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。按照图5所示的的实施方式，第一入射光束5a经过光瞳分割器8后会在形变区4表面产生产生衍射相干光，其过程为傅里叶转换，即光瞳分割器8上表面第一入射光束5a的场强分布为U(x₀,y₀)，光瞳分割器8下表面偏振入射光束5a'的场强分布为第一场强分布U(x₀′，y₀′)，随后偏振入射光束5a'在形变区4表面的场强变换为第二场强分布U(x₁,y₁)，即

调制光瞳分割器8的孔径函数A(x₀,y₀)，可以得到偏振入射光束5a'在形变区4表面的场强分布为U(x₁,y₁)，透镜组9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下表面反射光束5b场强分布为第三场强分布U(x₂,y₂) 大小会近似为偏振入射光束5a'经过光瞳分割器7下表面的第一场强分布U(x′₀,y′₀)。则通过调制光瞳分割器7的孔径函数A(x₀,y₀)可以实现于光瞳分割器8上表面得到第四场强分布 U(x₂,y₂)的反射光束5b，该信号会被探测器11接收。而第四场强分布U(x₂,y₂)的反射光束 5b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高信噪比信号变化。

更进一步地，偏振入射光束5a'在光瞳分割器8上表面原始场强分布为U(x₀,y₀)，经孔径函数A(x₀,y₀)，在光瞳分割器8下表面形成第一场强分布U(x′₀,y′₀)为

偏振入射光束5a'到达形变区4表面第二场强分布为：

偏振入射光束5a'到达形变区4表面场强分布为U(x₁,y₁)，位于透镜组9视野范围内反射光5b准直至光瞳分割器7下表面形成第三场强分布为U(x′₂,y′₂)即

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

反射光束5b在光瞳分割器8上表面场强分布为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9视野有明确物理关系,目标为使

最大化。其中θ为回声信号产生的反射探测光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9视场有关系，而其中光瞳分割器8的孔径函数A(x₀,y₀)更易于调制。

如图8所示，对于本发明的光瞳分割方案来说，在使用图5所示的光瞳分割器8之后，探测器11获取的最终信号为明暗交替的条纹图像，则光瞳分割后信号变化率为η＝各明条纹变化宽度/各明条纹原有宽度

如图7所示，对于现有技术中不进行光瞳分割的方案来说，信号变化率为η₀＝圆形光斑错位面积/圆形光斑面积

其中：η或者

由于通常光场分布为高斯分布，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，上述光瞳分割组件8的主要核心在于光阑孔径大于等于2以上分分割处理，光瞳分割组件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组件8上表面或者是下表面进行涂膜减小光阑反射对偏振入射光束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9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。

本发明还提供的一种探测反射光束变化的方法，该方法包括：

提供具有至少一种偏振态的第一入射光束5a，在第一入射光束5a传输路径上侧依次设置至少一光隔离器7和光束调整模块；

入射光束5a通过光隔离器7形成至少一束偏振入射光束5a’透射至光束调整模块；

使用光束调整模块调整偏振入射光束5a’的场强分布并使其射入待测体4表面；

使用光束调整模块接收自身视场范围内准直反射光束5b并进一步调整反射光束5b场强分布使其射入光隔离器7；反射光束5b经过光隔离器7后形成至少一束偏振反射光束5b’并与入射光束5a的传输方向呈相对分开角度射出；

解析第一入射光束5a通过待测体4反射后的反射光束5b时间相关性光强变化获得反射光束5变化信息。

具体地，调整照射于待测体4上的入射光束场强分布的方法为，在第一入射光束5a光路后依次设置至少一光瞳分割器8和准直光学元件9；光瞳分割器8将偏振入射光束5a’场强进行分割使其在光瞳分割器7第一表面形成为第一场强分布；准直光学元件9将通过光瞳分割器7后的偏振入射光束5a’聚焦至待测体4表面形成为第二场强分布；并接收自身视场范围内准直反射光束5b于光瞳分割器8的第一表面形成为第三场强分布；光瞳分割器8再调整通过准直光学元件9后的反射光束5b使其在光瞳分割器8第二表面形成为第四场强分布；

其中，第三场强分布产生的图案特征与第一场强分布产生的图案特征相近。

具体地，光瞳分割器8设置有多个不同类型通光部的结构，不同类型通光部具有光通量的差别，以使得偏振入射光束5a’或反射光束5b的场强被多个不同类型通光部的结构扰动分割。

具体地，方法还包括：将探测器11感应区域设置于偏振反射光束5b’传输路径上；或者，调整经过光隔离器7的偏振反射光束5b’射入探测器11感应区域。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。

本发明还提供的一种膜厚测量装置，包括：

猝发单元1，在一个时间点从待测膜2的上表面3a向下底面3b猝发多个激励源，以使所述待测膜2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，获取所述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2的厚度。该装置的实现原理、技术效果与上述装置类似，此处不再赘述。

本实施例中，可以用本发明所涉及的方法和装置监测的待测膜2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9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束角度的变化，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。

本实施例中，对于上述的整体实现反射光束角度测量的光学系统，其中膜厚测量装置中猝发单元1优选为泵浦光源，泵浦光源也称激发光源，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，CO₂，钬，准分子，染料和金属蒸气激光器等，上述泵浦光源的作用是在样品表面产生形变区4，其激励源可以为激光脉冲，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之后设置衍射元件，将泵浦光源进行转化为带有衍射图案的光源入射样品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，泵浦光源的类型，和是否与探测入射光束的入射角度一致，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， CO₂，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光束5a 和偏振入射光束5a’对波长范围也具有较强的适应性，并不做严格的限定，但是对入射光束 5a和偏振入射光束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。

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 (11)

1.一种探测反射光束变化的装置，其特征在于，包括：

探测光源，产生具有至少一种偏振态的第一入射光束(5a)；

光隔离器(7)，用于接受第一入射光束(5a)形成至少一束偏振入射光束(5a’)透射至光束调整模块，所述偏振入射光束(5a’)平行于所述第一入射光束(5a)；还用于接收经光束调整模块调整后反射光束(5b)形成至少一束偏振反射光束(5b’)并与所述入射光束(5a)的传输方向呈相对分开角度射出；

光束调整模块，设置于所述光隔离器(7)远离所述探测光源的一侧，用于调整所述偏振入射光束(5a’)的场强分布并使其射入待测体(4)表面；还用于接收自身视场范围内准直反射光束(5b)并进一步调整所述反射光束(5b)场强分布使其射入所述光隔离器(7)；

至少一探测器(11)，用于探测通过所述光隔离器(7)后的偏振反射光束(5b’)以获取所述偏振反射光束(5b’)的光强；

解析装置，用于对所述偏振反射光束(5b’)时间相关性光强变化信息进行解析。

2.根据权利要求1所述的探测反射光束变化的装置，其特征在于，所述光隔离器(7)沿所述第一入射光束(5a)传输方向包括第一双折射晶体(7a)、法拉第旋光片(7b)、第二双折射晶体(7c)，所述法拉第旋光片(7b)外围设置有可变磁场施加元件(7d)；

所述第一双折射晶体(7a)和所述第二双折射晶体(7c)为相同尺寸的楔形双折射晶体；

所述第一入射光束(5a)经由所述第一双折射晶体(7a)形成为至少一束偏振态光束，其中至少一束偏振入射光束(5a’)经所述法拉第旋光片(7b)和所述第二双折射晶体(7c)后透射至所述光束调整模块。

3.根据权利要求2所述的探测反射光束变化的装置，其特征在于，所述光束调整模块包括：

至少一光瞳分割器(8)，设置于所述光隔离器(7)远离所述探测光源的一侧，包括第一表面和第二表面，用于将所述偏振入射光束(5a’)场强进行分割使其在所述光瞳分割器(8)第一表面形成为第一场强分布；还用于调整通过准直光学元件(9)后的反射光束(5b)使其在所述光瞳分割器(8)第二表面形成为第四场强分布；

至少一准直光学元件(9)，设置于靠近所述光瞳分割器(8)的所述第一表面的一侧，用于将通过所述光瞳分割器(8)后的入射光束(5a’)聚焦至待测体(4)表面形成为第二场强分布；还用于接收自身视场范围内准直反射光束(5b)于所述光瞳分割器(8)的第一表面形成为第三场强分布。

4.根据权利要求3所述的探测反射光束变化的装置，其特征在于，所述第三场强分布产生的图案特征与所述第一场强分布产生的图案特征相近。

5.根据权利要求3所述的探测反射光束变化的装置，其特征在于，所述光瞳分割器(8)设置有多个不同类型通光部的结构，所述不同类型通光部具有光通量的差别，以使得所述偏振入射光束(5a’)或反射光束(5b)的场强被所述多个不同类型通光部的结构扰动分割。

6.根据权利要求3所述的探测反射光束变化的装置，其特征在于，所述光瞳分割器(8)设置有多个通光部和多个约束通光部的结构，以使得所述偏振入射光束(5a’)或反射光束(5b)的场强被所述多个通光部和多个约束通光部的结构扰动分割。

7.一种探测反射光束变化的方法，其特征在于，所述方法包括：

提供具有至少一种偏振态的第一入射光束(5a)，在所述第一入射光束(5a)传输路径上侧依次设置光隔离器(7)和光束调整模块；

所述入射光束(5a)通过所述光隔离器(7)形成至少一束偏振入射光束(5a’)透射至光束调整模块，所述偏振入射光束(5a’)平行于所述第一入射光束(5a)；

使用所述光束调整模块调整所述偏振入射光束(5a’)的场强分布并使其射入待测体(4)表面；

使用所述光束调整模块接收自身视场范围内准直反射光束(5b)并进一步调整所述反射光束(5b)场强分布使其射入所述光隔离器(7)；所述反射光束(5b)经过所述光隔离器(7)后形成至少一束偏振反射光束(5b’)并与所述入射光束(5a)的传输方向呈相对分开角度射出；

解析所述第一入射光束(5a)通过所述待测体(4)反射后的反射光束(5b)时间相关性光强变化获得反射光束(5)变化信息。

8.根据权利要求7所述的探测反射光束变化的方法，其特征在于，所述光束调整模块包括至少一光瞳分割器(8)和至少一准直光学元件(9)；

所述使用所述光束调整模块调整所述偏振入射光束(5a’)的场强分布并使其射入待测体(4)表面，包括：使用所述光瞳分割器(8)对所述偏振入射光束(5a’)场强进行分割使其在所述光瞳分割器(8)第一表面形成为第一场强分布；再通过所述光路准直元件(9)将所述偏振入射光束(5a’)聚焦至待测体(4)表面形成为第二场强分布；

所述使用所述光束调整模块接收自身视场范围内准直反射光束(5b)并进一步调整所述反射光束(5b)场强分布使其射入所述光隔离器(7)，包括：使用所述光路准直元件(9)接收自身视场范围内准直反射光束(5b)于所述光瞳分割器(8)的第一表面形成为第三场强分布；再通过所述光瞳分割器(8)后调整所述反射光束(5b)使其在所述光瞳分割系统(8)第二表面形成为第四场强分布；

其中，所述第三场强分布产生的图案特征与所述第一场强分布产生的图案特征相近。

9.根据权利要求8所述的探测反射光束变化的方法，其特征在于，所述光瞳分割器(8)设置有多个不同类型通光部的结构，所述不同类型通光部具有光通量的差别，以使得所述偏振入射光束(5a’)或反射光束(5b)的场强被所述多个不同类型通光部的结构扰动分割。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的的探测反射光束变化的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将探测器(11)感应区域设置于所述偏振反射光束(5b’)传输路径上；或者，

调整经过所述光隔离器(7)的偏振反射光束(5b’)射入探测器(11)感应区域。

11.一种膜厚测量装置，其特征在于，包括：

猝发单元(1)，在一个时间点从待测膜(2)的上表面(3a)向下底面(3b)猝发多个激励源，以使所述待测膜(2)上表面产生至少一形变区域；

提供如权利要求1-6所述的探测反射光束变化的装置，获取所述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(2)的厚度。

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