[发明专利]成像椭偏仪的系统参数校准方法

说明书

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：