CN1500209A - 样件镜面反射率的测量 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测样件(22)的绝对镜面反射率的装置(10)，它包括：一样件支承架(12)，一用来将一入射光束(16)发射到一样件(22)表面上的光源(18)，以及一用来检测入射光线的镜面反射分量的检测器(26)。该光源(18)、样件支承架(12)和检测器(26)被安装和可操作地相连成相对可动，以改变光线(16)入射到样件(22)上的入射角，并相应地自动改变检测器(26)的相对位置，以使反射角与入射角相等。在无样件(22)或将样件拆下样件支承(12)架时，光线(16)直接照射到检测器(26)上，以能直接测量出作为基准测量的光线(16)的绝对强度。这就可免去使用诸如镜子等的中间光学元件，这种镜子之类的中间光学元件会随时间推移而性能变差。这样还可使装置更加简化些。

Description

样件镜面反射率的测量
技术领域
本发明涉及用于测量样件的镜面反射率的装置。
背景技术
在紫外可见光谱测量中通常要求能够测量样件的镜面(镜象)反射率。进行这种测量的一种方法是将光源和光检测器的光通路安设成从镜面有一反射。将镜子安设到位，并记录检测器所接收的光线强度。而后用样件来替代镜子，再次记录检测器所接收的光线强度。光线强度的变化是在镜子和样件间所存在的反射能力差异的量值。该方法的缺点在于：在计算样件的反射能力之前必须先知道镜子的反射能力。较佳的应是能够直接测量到样件的反射能力，而不是其相对于另外某个物件的反射能力。这种直接测量在专业领域被被称为绝对反射率测量，以之与相对反射率测量相区别开来。
在已有的光谱仪中，光源和光检测器的位置都是固定的。镜面反射装置将光束发射到要测试的样件上，并重新定向反射的光线以送回到检测器上。这就需要许多将光束变向和将之重新聚焦的镜子，以能改变在光源和检测器之间的光路长度。已知的方法通常既包括固定的镜子、也包括可重新定位的镜子。要有许多的镜子会使这种装置复杂化，同时，由于镜子经过使用及暴露于空气中会受损，就会使装置的性能逐渐变差，这也是不希望有的。
常常会要求不仅要测量样件的绝对镜面反射率，还要测得其作为光束之入射角的函数的绝对镜面反射率。这个增加出来的要求会大大增加传统方法的复杂性，以使其难以实施。
包括以上对本发明之背景情况的讨论是为了对本发明之来龙去脉的加以说明。但这并不应被认为是承认所涉及的任何材料截至本申请的优先权日在澳大利亚已是公开、已知的或者是公知技术的一部分。。
本发明的一个目的在于，提供较简单的装置以能直接确定作为光线入射角的函数的、样件的绝对镜面反射率。
发明内容
本发明的第一方面内容是提供一种用于测量样件的镜面反射率的装置，它包括：
一样件支承架；
一光源，它用来将一光束以一预定的入射角发射到一由样件支承架所支承的样件的表面上，该光源和样件支承架安装成可相对运动，用以改变所述入射角；以及
一检测器，它用来检测从样件的所述表面镜面反射出来的所述光束，检测器和样件支承件安装成可相对运动，其中，光源、检测器和样件支承架相应地相对定位，用以检测所发射的光束在不同的光束入射角时的镜面反射分量。
根据第二方面，本发明可实现为用于光谱仪中的一种辅助装置，其中，光源是光谱仪的一个组件而不是附件。因此，还可提供一种用以测量样件的镜面反射率的、光谱仪辅助装置，它包括：
一样件支承架，它可相对于光谱仪的一光源定位成使光源以一预定的入射角发射光束到由样件支承架所支承的样件的表面上，该样件支承架安装成可相对于光源运动，用以改变所述入射角；以及
一检测器，它用来检测从样件的所述表面镜面反射的所述光束，该检测器安装成可相对于样件支承架运动，
其中，检测器和样件支承架可相应地相对定位，用以检测所发射的光束在不同光束入射角时的镜面反射分量。
较佳的是将样件支承架构造成、以及光源和检测器相对于样件及它们彼此间可定位成：在样件支承架中无样件时，可将光源和检测器定位成从光源所发射出来的光束将直接照射到检测器上。或者，样件支承架可拆卸、且光源和检测器可相对定位成实现相同的效果。因此，检测器能直接测出作为基准测量值的绝对光束强度。
较佳的是样件支承架、光源和检测器也安装成分别的两者间的距离在样件支承架、光源和检测器的不同定位情况下都保持恒定，也就是，安装成为从光源到检测器的光路长度对于基准测量和样件测量在任何角度下都保持恒定。因此，基准和样件测量间的光学焦点就无变化。这样就无需任何光学再成像。由此，本发明的装置就不需要镜子，且因此与原有技术的装置相比，在更多地避免了因操作和使用而造成的质量劣化。如果从光源到样件的通路长度以及从样件到检测器的各光路长度都分别保持恒定不变，则也是很有利的。这就能确保入射角变化时在样件上的亮斑正投影的大小不改变。
该装置可以是在光源、样件或检测器中的任何一个组件的位置可固定，而另外两个组件可相对运动。因此，例如，光源的位置固定(如同用于本发明的第二方面的辅助装置的例子)而样件支承架和检测器是可动的。较佳的是可动组件操作地相关，以使一个组件的运动可相应自动地使另一个运动到一正确的位置。例如，对于一可动样件支承架和检测器，样件支承架可绕一穿过该支承架且与入射光束垂直的中心轴线旋转，以使所支承的样件的表面可以不同的角度与来自固定光源的光束的方向对准，并且检测器可操作地安装成与绕样件支承架同一中心轴线旋转的样件支承架相连，而使检测器自动地转过两倍于支承架所转角度的角度。因此，检测器和光源将有效地从一垂直于样件的基准线上等角度布置，也就是说，检测器将布置成用来检测成一反射角的光束的镜面反射分量，而该反射角就等于在样件表面上的光束的入射角。
为了更好地了解本发明、并说明如何实施本发明，以下将参照附图来阐述其实施例，这些例子仅用以说明，而并不限制本发明的范围。
附图简述
图1概略表示本发明的一实施例的装置；
图2概略表示图1装置的样件支承架；
图3是图1装置概略俯视图，其组件相对定位成用以进行基准测量；
图4是图1装置的概略俯视图，其组件相对定位成用以进行样件测量；以及
图5概略地表示图1装置用的驱动机构。
图6概略地表示图1装置用的驱动机构的另一种结构。
具体实施方式
图1所示的、用于测量样件的镜面反射率的辅助装置10包括一样件支承架12，它通过轴承(未图示)安装在一安装座14上，用以与可从一光谱仪的光源18发射出来的光束16自动对准。轴承可使样件支承架12相对于安装座14绕轴20旋转，但不能向横向或垂向移动。轴线20穿过光束16照射到安装在样件支承架12中的样件22的表面上的点。转臂24与样件支承架12同心连接，且在其外部极端处装有一光检测器26。转臂24安装成能绕轴线20旋转。在转臂24和样件支承架12之间设有一适合的驱动机构28(以下将详细说明)，且安装成转臂24的旋转也可引起样件支承架12的旋转。驱动机构28的驱动比为，当转臂24顺时针方向转过X度时样件支承架12顺时针方向转过x/2度，类似地逆时针方向旋转也如此。
样件支承架呈框架30(见图2)的形状，该框架具有一安装表面32，用以在装置10中将样件22(要测量其反射能力的)的表面23(见图4)正确对准。因此，样件22用适当的夹持装置安装到样件支承架12上，且使其表面23与样件支承架12的安装表面32相互面接触。当样件安装在样件支承架12上时，轴线20与样件22的表面23相重合。样件支承架12的框架30包括为了以下将述的目的而设置的两凹口34。
在运作中，先通过驱动机构28来转动转臂24，以使检测器26在无样件存在时直接拦截光束16(见图3)。重要的是在检测器26处于此定位状态时样件支承架12不阻断光束16。这可通过将样件支承架12做成恰当的形状来确保光束16的通路不被阻断，也就是说，支承架可具有如上所述的凹口34。或者，也可将样件支承架12做成可动的，以使它能临时性地从装置中移走。此时，检测器26就可测量光束的绝对强度。该首次测量就是基准测量。然后，再由驱动机构28将转臂24转到所要的测量角度。如果样件支承架12已被移开了，就将其放回原处。可将样件22装到样件支承架中且使其表面23与支承架12的表面32相接触(见图4)。此时光束16可照射到样件22的表面23上，而镜面反射分量36就被检测器36拦截。检测器26记录从样件22的表面23上反射出来的光线的强度，进行第二次测量。该第二次测量被称为样件测量。样件测量与基准测量之比给出了样件在该角度时的绝对反射率。可在转臂24的不同转角设定值下进行多次样件测量。因此方法即可决定作为光束16入射角的函数的、样件22的镜面反射率的变化测量值。
驱动机构28的一种结构示于图5中。它包括四个齿轮40、41、42和43。齿轮40附接在电动机44的主体上，并与之固定住用以防止齿轮40相对于电动机主体44的移动或转动。图5中的电动机主体44相当于图1中的安装座14。齿轮41和43锁合在一起，故它们只能以相同的角速度旋转，并且它们是安装在单一根转轴46上的，转轴46附接在转臂24上且可在转臂24中自由旋转。齿轮42附接在样件支承架12上，而使齿轮42的转动也引起样件支承架12的转动。为了确保样件支承架12以转臂24旋转角速度的一半的速度旋转，齿轮的节圆直径(PCD)应如下地选取：
PCO齿轮40+PCD齿轮41＝PCD齿轮42+PCD齿轮43
PCO齿轮40+PCD齿轮41＝0.5×PCD齿轮42/PCD齿轮43
还可方便地进一步使转臂24和样件支承架12的旋转机动化，以能进行自动转角定位。这样，驱动机44可以是电动的，如图5所示，齿轮40与电动机主体44相锁合，用以防止齿轮40相对于电动机主体44的转动。齿轮42和样件支承架12都与电动机转轴45相锁合，从而以与转轴45相同的转速旋转。转臂24通过轴承(未图示)安装到电动机转轴45上，以使转臂24可相对于电动机转轴45转动。适宜的是所述的结构使转臂24旋转样件支承架12的转角的二倍的角度。
图6概略表示采用类似的齿轮40、41、42和43的、供图1装置所用的驱动机构的另一种结构。齿轮41和43固定到电动机44的转轴45上。齿轮42和40可在轴47上自由旋转。样件支承架(未图示)固定于齿轮42，检测器(未图示)固定于齿轮40。电动机44所产生的转轴45的旋转驱动齿轮40以两倍于齿轮42转速的速度旋转。这些组件安装在底座48上。
除了相对地较为简单以外，上述装置还可使从光源18到检测器26的光路总度在首次(基准)测量和随后的样件测量时任何角度之下都相同。它还可使从光源到样件以及从样件到检测器的距离在入射角变化时都分别保持恒定不变。从而，在基准和样件测量之间光学焦点就不变化。这就免去了有任何光学再成像的必要。该装置还有一附加的优点是无需镜子，因此，其性能就不会随时间推移而很快地变差。熟悉本发明技术领域的人员都能理解的是，尽管本发明的装置本身并无光学再成像的必要，但是，如果当样件处在光路中时光学再成像装置或镜子一直在光路中、当光路中无样件而进行基准测量时所有这些装置或镜子也必须在光路中，以及如果所有这些装置或镜子必须一直与检测器保持一恒定的空间关系(即它们必须与检测器一起运动)的话，就不要排除使用光学再成像装置或者折光镜或镜子。
这里所述的本发明除了上述的特定实例以外还可有各种变形、变化和/或附加的内容，应该理解的是，本发明涵盖了后附权利要求书范围内的所有的这种变形、变化和/或附加的内容。

Claims (26)

1.一种用于测量样件的镜面反射率的装置，它包括：
一样件支承架；
一光源，用来将一光束以一预定的入射角发射到一由样件支承架所支承的样件的表面上，该光源和样件支承架安装成可相对运动以改变所述入射角；以及
一检测器，用来检测从样件的所述表面镜面反射出来的所述光束，检测器和样件支承件也安装成可相对运动，其中，光源、检测器和样件支承架相应地相对定位，用以检测所发射的光束在不同的光束入射角时的镜面反射分量。
2.如权利要求1中所述的装置，其特征在于，将样件支承架构造成、以及可将光源和检测器相对于样件和它们彼此间定位成：在样件支承架中无样件时，光源和检测器可定位成从光源发射出来的光束直接照射到检测器上。
3.如权利要求2中所述的装置，其特征在于，样件支承架包括一框架，该框架具有一安装表面，样件的表面可靠在该安装表面上，以使样件表面在装置中正确地对准。
4.如权利要求3中所述的装置，其特征在于，框架的形状做成使从光源发射出来的光束的通路能从其穿过而直接照射到检测器上。
5.如权利要求1中所述的装置，其特征在于，样件支承架可拆卸地安装成，在无样件支承架时，光源和检测器可彼此相对定位成使从光源发射出来的光束直接照射到检测器上。
6.如权利要求1-5中任一项中所述的装置，其特征在于，样件支承架、光源和检测器安装成分别的两者之间的距离在样件、光源和检测器的不同定位情况下都保持恒定，从而从光源到检测器的光路长度对于基准和样件测量在任何角度下都保持恒定。
7.如权利要求1-5中任一项中所述的装置，其特征在于，在包括光源、样件支承架和检测器的组件组中的一个组件的位置是固定的，而另两个组件是相对其可动的。
8.如权利要求7中所述的装置，其特征在于，该另两个组件可操作地相连，以使一组件的运动使另一组件相应地自动运动到一正确的位置上。
9.如权利要求7中所述的装置，其特征在于，光源的位置是固定的，而样件支承架和检测器是相对可动的。
10.如权利要求9中所述的装置，其特征在于，样件支承架可绕一穿过样件支承架且与入射光束相垂直的轴线转动，从而使由样件支承架所支承的样件的表面可以不同的角度对准入射光束的方向。
11.如权利要求10中所述的装置，其特征在于，检测器安装成可绕所述轴线沿弧线运动，且样件支承架和检测器可操作地相连，以使样件支承架转过一角度可使检测器自动地转过两倍于所述角度的角度。
12.如权利要求11中所述的装置，其特征在于，检测器安装在一可绕一轴线旋转的转臂上，而样件支承架也可绕该轴线旋转，同时还具有将转臂和样件支承架连接起来的一驱动机构，用以将样件支承架旋转一个角度，且该角度为转臂所旋转角度的一半。
13.如权利要求12中所述的装置，其特征在于，驱动机构包括至少一组齿轮系。
14.如权利要求13中所述的装置，其特征在于，它包括一用以驱动驱动机构的电动机。
15.一种用于测量样件的镜面反射率的光谱仪辅助装置，它包括：
一样件支承架，可相对于光谱仪的光源定位成使光源以一预定的入射角发射光束到支承在样件支承架上的样件的表面上，该样件支承架安装成可相对光源运动，用以改变所述入射角；以及
一检测器，它用来检测从样件的所述表面镜面反射的所述光束，检测器安装成可相对于样件支承架运动，
其中，检测器和样件支承架可相应地相对定位，用以检测所发射的光束在不同的光束入射角时的镜面反射分量。
16.如权利要求15中所述的辅助装置，其特征在于，将样件支承架构造成、以及可将检测器相对于样件和光谱仪的光源定位成：在样件支承架中无样件时，从光源所发射出来的光束可直接照射到检测器上。
17.如权利要求16中所述的辅助装置，其特征在于，样件支承架包括一框架，该框架具有一安装表面，样件的表面可靠在该安装表面上，用以使样件表面在辅助装置中正确地对准。
18.如权利要求17中所述的辅助装置，其特征在于，框架的形状做成使从光源发射出来的光束的通路能从其穿过而直接照射到检测器上。
19.如权利要求15中所述的辅助装置，其特征在于，样件支承架可拆卸地安装成，在无样件支承架时，检测器可相对于光谱仪的光源定位，用以使从光源发射出来的光束直接照射到检测器上。
20.如权利要求15-19中任一项中所述的辅助装置，其特征在于，辅助装置可相对于光源安装，且其样件支承架及检测器安装成它们之间的相应的距离在样件支承架和检测器相对于光源的不同定位情况下都保持恒定，从而从光源到检测器的通路长度对于基准和样件测量在任何角度下都保持恒定。
21.如权利要求20中所述的辅助装置，其特征在于，样件支承架和检测器可操作地相连，以使成一组件的运动使另一组件相应地自动运动到一正确的位置上。
22.如权利要求21中所述的辅助装置，其特征在于，样件支承架可绕一穿过样件支承架且与入射光束相垂直的轴线转动，从而使由样件支承架所支承的样件的表面可以不同的角度对准入射光束的方向。
23.如权利要求22中所述的辅助装置，其特征在于，检测器安装成可绕所述轴线沿弧线运动，且样件支承架和检测器可操作地相连，以使样件转过一角度可使检测器自动地转过两倍于所述角度角度。
24.如权利要求23中所述的辅助装置，其特征在于，检测器安装在一可绕一轴线旋转的转臂上，而该样件支架也可绕该轴旋转，同时还具有将转臂和样件支承架连接起来的一驱动机构，用以将样件支承架旋转一个角度，且该角度为转臂所旋转角度的一半。
25.如权利要求24中所述的辅助装置，其特征在于，驱动机构包括至少一组齿轮系。
26.如权利要求25中所述的辅助装置，其特征在于，它包括一用以驱动驱动机构的电动机。
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