CN201681041U - 用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置，包括光学自准直望远系统和显微物镜组，光学自准直望远系统包括光学器件套筒，在该光学器件套筒的底部固定设置有滑动装置，滑动装置上设置有能够水平移动的显微物镜组，显微物镜组在滑动装置上滑动以实现其与光学器件套筒的光轴重合或远离。本实用新型采用了自准直望远系统和显微系统结合的方式，通过滑动装置带动显微物镜离开或进入光学器件套筒的光轴，来实现自准直望远系统和显微系统的功能简单切换。本实用新型的优点在于：该系统外形小巧、结构简单、观察快速、操作简捷。

Description

用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置

技术领域

本实用新型涉及光学测量领域，尤其是一种用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置。

背景技术

椭偏测量技术是表征纳米薄膜的重要手段之一，它利用探测光波经表面反射时偏振态的变化来探测样品的信息(如，折射率n、消光系数k、纳米薄膜的厚度、表面粗糙度、材料电子振动信息等)。该技术的优点在于：(1)测量时对样品无扰动、无破坏性，因此可进行实时测量、离体乃至在体测量；(2)灵敏度可达到原子层量级的分析水平，因此可对纳米薄膜进行高灵敏度的探测；(3)对样品材料几乎无限制，可适合于绝缘体、导体、半导体；(4)对环境要求低，无需真空等特殊条件，在普通实验环境中就可进行。基于其优点，该技术已广泛应用于微电子工业、表面材料和生物医学等领域。

利用椭偏测量技术获得样品的参数(如，折射率、消光系数、薄膜厚度等)的一般步骤是：(1)利用椭偏测量系统得到样品的椭偏角(ψ和Δ)；(2)对样品进行模型化，即建立椭偏角与样品参数的关系；(3)利用数据拟合的方法获得样品的参数。因此，在利用椭偏测量技术对样品进行分析时，最基本的任务是利用椭偏测量系统获得样品的椭偏角(ψ和Δ)。

椭偏测量系统最基本的结构为：光源-起偏器-样品-检偏器-光电传感器。在此基础上，根据不同的应用需求，发展了多种不同的结构，如：光源-起偏器-补偿器-样品-检偏器-光电传感器、光源-起偏器-样品-补偿器-检偏器-光电传感器等。在椭偏测量系统中，光束的传播一般是：光源发出的探测光波经起偏器、补偿器等偏振器件后成为偏振态已知的偏振光，然后入射到样品表面上，样品对入射光波的幅值和相位进行调制，从而使得反射光波的偏振态发生变化，再经过补偿器、检偏器等偏振器件后探测光波进入光电传感器，从而获得探测光波的强度。

当利用椭偏测量系统对样品进行测量时，为了获得准确的结果，需要对样品的方位进行校准和调节，使得样品满足两个条件：(1)样品表面经过起偏臂光轴和检偏臂光轴的交点；(2)样品表面垂直于起偏臂光轴和检偏臂光轴形成的入射面。当这两个基本条件无法满足时，测量结果就会产生严重的偏差。具体来说，(1)当样品表面没有经过起偏臂光轴和检偏臂光轴的交点时，这时由起偏臂7发出的探测光经样品表面反射时将不会与检偏臂8的光轴重合，这将导致：(a)探测光波无法进入检偏臂末端的探测器，导致测量失效；(b)如果检偏臂中有旋转的偏振器件，当探测器每次采样时，探测光波不能通过该旋转偏振器件的中心上同一点，导致测量中由于该偏振器件的表面性质不均一而产生系统误差。(2)当样品表面不垂直于起偏臂光轴和检偏臂光轴形成的入射面时，这将不仅导致(1)中(a)和(b)中的情形，而且还可能会导致实际的入射角与名义的入射角的偏差，因为测量得到的椭偏角(Ψ和Δ)与入射角直接相关，因此，入射角度的偏差会导致测量结果的偏差，尤其当在椭偏角随角度变化非常剧烈的情况下(比如，当入射角在样品基底Brewster角邻域时)，入射角的微小偏差会导致测量误差的极大偏差。因此，在椭偏测量中，对样品方位的校准和调节是一个最基本的问题。

因为对样品方位的校准是调节的基础，所以校准显得尤为重要。分开来说，就包含了：(1)对待测样品表面进行俯仰方位的校准，(2)对待测样品表面进行高低方位的校准，即检验样品表面是否通过起偏臂光轴和检偏臂光轴的交点，样品表面是否垂直于起偏臂光轴和检偏臂光轴形成的入射面。

解决上述问题的现有方法有：(1)在整套椭偏测量系统中既安装一套自准直望远系统，又安装一套显微系统，但这种系统增加了测量装置中器件的数目且不便于观察。(2)在整套椭偏测量系统中实现了自准直望远系统和显微系统的共用，如图1所示，该结构一般都采用通过设置旋转盘6来旋转物镜以达到功能切换的目的，这种方法在椭偏测量系统中应用较为普遍，但其不足在于切换机构中占用了大量空间，尤其在空间有限的场合(比如，单晶硅太阳电池倾斜放置进行测量时)，这种设计严重影响了使用。(3)采用四象限器通过判断探测光束在象限中的位置来判断样品方位，这种方法一般需要通过自动控制的方式来对样品的入射角进行调节，其结构复杂，自动化程度要求高，尤其不适合于手动改变入射角度的椭偏系统。由此可见，在椭偏测量系统中，现有的对样品方位的校准方法难以同时满足俯仰和高低校准结构共用、功能切换简捷、易观察、空间占用小。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种外形小巧、结构简单、观察快速、操作简捷、通过滑动的方式完成自准直望远系统和显微系统转换的用于椭偏测量系统中样品方位校准的装置，从而大大减小了空间占用，给大的、特殊的待测样品留出了足够的空间。

为实现上述目的，本实用新型用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置，包括光学自准直望远系统和显微物镜组，其中，光学自准直望远系统包括光学器件套筒，在该光学器件套筒的底部固定设置有滑动装置，滑动装置上设置有能够水平移动的显微物镜组，显微物镜组在滑动装置上滑动以实现其与光学器件套筒的光轴重合或远离。

进一步，所述光学自准直望远系统还包括带分划板的可调视度目镜、照明装置、指示物、分光镜、准直透镜，其中，照明装置、指示物、分光镜、准直透镜从上至下依次设置在所述光学器件套筒内。

进一步，所述指示物位于所述准直透镜的焦点上，所述分划板处于准直透镜的焦点上。

进一步，所述滑动装置中采用燕尾槽滑动副、V型槽滑动副或圆柱滑动副来实现所述显微物镜组的安装和滑动，并且所述滑动装置中还设置有用于使所述显微物镜组的光轴与所述自准直望远系统的光轴共轴并定位的定位机构。

进一步，所述显微物镜组为单透镜或透镜组，其物方焦点位于待测样品上。

进一步，所述照明装置的亮度可调，其为白炽灯、LED灯、卤素灯或发光板。

进一步，所述指示物为分划板或小孔光阑。

进一步，所述分光镜为平面分光镜片、分光棱镜。

进一步，所述光学自准直望远系统通过支撑座来支撑和定位，以使得所述光学自准直望远系统的光轴通过起偏臂光轴和检偏臂光轴的交点，所述光学自准直望远系统处于起偏臂光轴和检偏臂光轴所形成的入射面内，且平分二者所夹的角度。

本实用新型用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置采用了自准直望远系统和显微系统结合的方式，通过滑动装置带动显微物镜离开或进入光学器件套筒的光轴，来实现自准直望远系统和显微系统的功能简单切换。自准直望远系统采用的是双分划板型，具有自准直像的亮度大，衬度好，测量距离广，视场利用充分等优点。

附图说明

图1为现有技术中采用旋转盘方式实现自准直望远镜系统和显微系统功能转换的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1中表征显微物镜组移开的结构示意图。

图3为本实用新型实施例1中表征显微物镜组滑动到光学准直系统中的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实用新型用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置，包括：

光学自准直望远系统，包括光学器件套筒1、带分划板的可调视度目镜2、照明装置11、指示物12、分光镜13、准直透镜14。

光学器件套筒1，其内从上至下依次设置有照明装置11、指示物12、分光镜13、准直透镜14。

亮度可调的照明装置11，其作用是照亮指示物12，指示物12为分划板或小孔光阑，以使它的自准直像成像到目镜分划板上，同时灯源亮度可根据不同待测样品对光的反射能力的不同而进行光亮度的调节，从而达到清晰的观察效果。

带分划板的可调视度目镜2，用于观察系统的自准直像。

待测样品3，待测样品3为平的镜面反射式的块状或薄膜层构材料，把光学器件套筒1里面指示物12的像反射回去，并成像于带分划板的可调视度目镜2的分划板上。

滑动装置41，操作者可以根据对待测样品俯仰和高低校准的不同的需求，通过滑动显微物镜42离开或进入光学器件套筒1的光轴，来实现自准直望远系统和显微系统的切换。

支撑5，用于整套系统的连接及定位，保证光学自准直望远系统的光轴通过起偏臂光轴和检偏臂光轴的交点，并处于二者所形成的入射面内，且平分二者所夹的角度。

本实用新型用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置的工作原理如下：

由亮度可调的照明装置11照亮光学器件套筒1里面的指示物12，指示物12的像依次经过分光镜13、准直透镜14，照射到待测样品3上作为系统成像的物，同时，待测样品3再将该物反射回光学器件套筒1中，依次经过准直透镜14、分光镜13后成像到可调视度目镜2的分划板上，此时操作者观察指示物在目镜分划板上的成像位置，如果其中心与目镜分划板的十字中心不重合，则要对待测样品进行俯仰方位的调节，直至其中心与目镜分划板的十字中心重合为止。接下来，通过滑动装置41把显微物镜42滑到与光学套筒1的光轴重合的位置，实现系统的显微功能，如果不能同时看到指示物和目镜分划板的像，则要对待测样品进行高低方位的调节，直至两个像同时清晰的成像在可调视度目镜2中。

实施例1

如图2所示，为表征显微物镜组42移开，光学自准直望远系统处于光学自准直系统状态，其用于调节样品的俯仰状态。图3表征显微物镜组42滑动到光学自准直望远系统中，此时整个系统处于光学显微镜状态，用于调节样品的高低。

该系统的结构为：在起偏臂光轴和检偏臂光轴形成的入射面内安装由光学器件套筒1、带分划板的可调视度目镜2、待测样品3、滑动装置41、显微物镜组42、支撑座5组成的自准直校准系统。

在上述装置中，带分划板的可调视度目镜2为带分划板的10X可调视度目镜，该分划板的安装位置应设置在准直透镜14的焦点上。

待测样品3为平的镜面反射式的块状或薄膜层构材料，把光学器件套筒1内指示物12的像反射回去，并成像于带分划板的可调视度目镜2的分划板上，待测样品3位于显微物镜组42的焦点上。

滑动装置41是一对具有限位功能的燕尾槽滑动副，其上带动一工作距离可调的显微物镜组42，通过滑动来实现自准直望远系统和显微系统的转换，显微物镜组42安装在燕尾槽滑动副上，并能够在燕尾槽滑动副上水平移动，显微物镜组42在燕尾槽滑动副上滑动，当显微物镜组42的光轴与光学器件套筒1的光轴重合时，显微物镜组42与光学自准直望远系统整体组成显微系统，当显微物镜组42的光轴与光学器件套筒1的光轴远离时，光学自准直望远系统可实现其自准直望远功能，显微物镜组42在燕尾槽滑动副上滑动可简单的实现自准直望远系统和显微系统的转换，方便了操作。本实施例中燕尾槽滑动副还设置有用于使显微物镜组42的光轴与自准直望远系统的光轴共轴并定位的定位机构，该定位机构为一根螺钉或销钉。

在光学器件套筒1中，包含了一亮度可调的照明装置11，其为白炽灯、LED灯、卤素灯或发光板，其作用是照亮指示物12，以使它的自准直像成像到目镜分划板上，同时灯源亮度可根据不同待测样品对光的反射能力的不同而进行光亮度的调节，从而达到清晰的观察效果。

在光学器件套筒1中，内部还包含了指示物12、分光镜13、准直镜14，通过对分划板的成像情况，来判断对样品方位的校准情况，分划板必须安装在准直透镜14的焦距上。

支撑座5用于整套系统的连接及定位，保证准直系统的光轴通过起偏臂光轴和检偏臂光轴的交点，并处于二者所形成的入射面内，且平分二者所夹的角度。

当需要椭偏测量装置中对样品方位进行光学校准时，采用如下的方法步骤：先通过自准直望远系统，观察目镜视野中的指示物的像和分划板的像(其中一个是目镜中分划板的像，一个是被照明装置照亮的指示物经样品反射后所成的像)，如若其中心不重合，则调整工作台控制俯仰的旋钮，以达到指示物的中心与目镜分划板中心完全重合。再通过滑动装置41把显微物镜42滑到与光学套筒1的光轴重合的位置，实现系统的显微功能。通过显微系统，同样观察目镜视野中的指示物的像和目镜分化板的像，如若指示物的像和目镜分划板不能同时清晰的看见，则要调整工作台控制高低的旋钮，直至两个像同时清晰为止。

实施例2

用于椭偏测量系统中的对样品方位校准装置的基本结构的示意图依然如图2和图3所示。

除了把滑动装置41中的滑动副改成V型槽滑动副外，其它与实施例1中相同。其原理及校准方法的步骤同实施例1。

实施例3

用于椭偏测量系统中的对样品方位校准装置的基本结构的示意图依然如图2和图3所示。

除了把滑动装置41中的滑动副改成圆柱滑动副外，其它与实施例1中相同。其原理及校准方法的步骤同实施例1。

Claims (9)

1.用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置，其特征在于，该装置包括光学自准直望远系统和显微物镜组，其中，光学自准直望远系统包括光学器件套筒，在该光学器件套筒的底部固定设置有滑动装置，滑动装置上设置有能够水平移动的显微物镜组，显微物镜组在滑动装置上滑动以实现其与光学器件套筒的光轴重合或远离。

2.如权利要求1所述的用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置，其特征在于，所述光学自准直望远系统还包括带分划板的可调视度目镜、照明装置、指示物、分光镜、准直透镜，其中，照明装置、指示物、分光镜、准直透镜从上至下依次设置在所述光学器件套筒内。

3.如权利要求2所述的用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置，其特征在于，所述指示物位于所述准直透镜的焦点上，所述分划板处于准直透镜的焦点上。

4.如权利要求1所述的用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置，其特征在于，所述滑动装置中采用燕尾槽滑动副、V型槽滑动副或圆柱滑动副来实现所述显微物镜组的安装和滑动，并且所述滑动装置中还设置有用于使所述显微物镜组的光轴与所述自准直望远系统的光轴共轴并定位的定位机构。

5.如权利要求1所述的用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置，其特征在于，所述显微物镜组为单透镜或透镜组，其物方焦点位于待测样品上。

6.如权利要求2所述的用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置，其特征在于，所述照明装置的亮度可调，其为白炽灯、LED灯、卤素灯或发光板。

7.如权利要求2所述的用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置，其特征在于，所述指示物为分划板或小孔光阑。

8.如权利要求2所述的用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置，其特征在于，所述分光镜为平面分光镜片、分光棱镜。

9.如权利要求1所述的用于椭偏测量系统的样品方位校准的装置，其特征在于，所述光学自准直望远系统通过支撑座来支撑和定位，以使得所述光学自准直望远系统的光轴通过起偏臂光轴和检偏臂光轴的交点，所述光学自准直望远系统处于起偏臂光轴和检偏臂光轴所形成的入射面内，且平分二者所夹的角度。

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