[发明专利]一种探测反射光变化的装置、方法及膜厚测量装置

说明书

本发明提出了一种探测反射光变化的装置及方法，利用第一光瞳分割器将入射光束进行场强分割使得入射光束在第一光瞳分割器的第一表面形成第一场强分布；准直汇聚具有第一场强分布的入射光束斜入射至物体表面以形成具有第二场强分布的反射光束；接收具有第二场强分布的反射光束并准直以形成具有第三场强分布的反射光束；利用第二光瞳分割器的位置和形状对具有第三场强分布的反射光束进行场强分割，使得具有第三场强分布的反射光束在第二光瞳分割器的第一表面形成第四场强分布，第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔径函数分布；获取具有第四场强分布的反射光束，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。

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、方法及膜厚测量装置。

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所示，泵浦激光1入射到样品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，该光学元件承担了光束分光作用，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