[发明专利]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、方法及膜厚测量装置，该装置包括至少一探测光源，用于产生入射光束；至少一光瞳分割系统，用于将入射光束场强进行分割使其在光瞳分割系统第一表面形成为第一场强分布；将具有第三场强分布反射光束使其在光瞳分割系统第二表面形成为第四场强分布；至少一光路准直系统，用于将入射光束聚焦至待测体表面形成为第二场强分布；接收反射光束于光瞳分割器的第一表面形成为第三场强分布。按照本发明的装置及方法，在入射光路上设置瞳面分割，进一步对入射光和反射光使用同一光路器件，通过调整入射探测光光束的场强分布或透镜组视场范围，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。

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，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，由此可计算得到膜样品厚度值。

而在具体的测量装置设置上，如图2中所示，泵浦光源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变化的装置及方法，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。