CN1754094A - 用于观测表面的散射计和方法 - Google Patents

Abstract

一种散射计，其包括用于在待分析的样品(5)的方向上以不同的角度提供入射光束(8)的光源装置(11)和用于接收入射光束(8)的反射(19)的凹面屏幕(1、2)。所述屏幕(1、2)具有基本上为球面的一部分的形状，例如半球，其中样品(5)的位置在它的中心处。所述屏幕(1、2)具有孔径(9)，入射光束(8)朝向所述样品(5)通过该孔径。所述光源装置(11)和包括所述孔径(9)的屏幕(2)的至少一部分能够围绕一个通过所述中心并基本上垂直于入射射束的所述方向的轴(3)相对于样品(5)旋转。

Description

用于观测表面的散射计和方法

本发明涉及一种散射计，其包括用于在待分析的样品的方向上以不同的角度提供入射光束的光源装置和用于接收入射光束的反射的凹面屏幕，所述屏幕具有基本上为球面的一部分的形状，样品的位置在它的中心，所述屏幕具有一个孔径，入射光束朝向所述样品通过该孔径。

可以分析散射光，以提供对散射光所源自的样品表面的微结构的统计分析。这提供了简单、非接触和非干扰的监控技术，其在用于确定表面和表面形态的许多技术领域中是有用的。此外，利用该技术可以表征具有几何形状的材料缺陷的类型和密度。此外，该技术可用于评估涂层和材料的特性。它也可用于诸如微电子材料加工、光电材料加工、光学部件检查以及计算机磁盘制造这些领域。

光散射测量也可用于流体的质量监控。例如，利用光散射技术可以便利地检查血样，以展现细胞特性。利用光散射测量可以便利地检查具有悬浮粒子的流体，比如石油、包含粒子的汽油等等。此外，可以在原处(in-situ)进行这些测量，以控制用于上述各种材料的制造的工艺。

US-A-5241369说明了一种散射计系统，借此激光束入射于样品之上，并由此通过凹面屏幕接收散射自样品的光，从而获得散射光强度图案的二维图，并因此在二维空间频率中表征样品的形态。通过凹面屏幕接收近角度散射光以及大角度散射光，所述近角度散射光也就是在镜面反射束(specularly reflected beam)附近散射的光，而大角度散射光也就是在较远离镜面反射束的方向上散射的光。所述屏幕包括用于通过由光源装置生成的入射光束的一个或多个孔径。通过使用更多的孔径，可以以不同的入射角度将光束导引至样品，从而每一孔径对应于一个预定的入射角度。

为了记录屏幕上的图像，摄影机或其它检测装置可以观测屏幕。可将摄影机仅导向近角度散射光，摄影机也可以观测整个屏幕。在后一种情况中，摄影机可以配备广角光学系统，比如可以定位在样品附近的鱼眼透镜或凸面镜。可以通过屏幕中的孔径将所述摄影机导向这种镜子。

WO-A-00/37923说明了一种散射计，借此可以以多个不同的入射角度照射样品，例如在0°和90°之间的全部角度。为此，屏幕中的孔径具有在球面屏幕的高达90°的范围上延伸的拉长的狭缝的形状。优选地，不同的入射光束都位于相同的所谓反射矢状平面中，也就是通过待分析的样品的平面，所述平面包括入射光束和镜面反射束。

然而，屏幕中的任何孔径都将干扰散射光强度图案的图像。为了减小该干扰，可以利用具有类似于屏幕的剩余部分的光学特性的材料来覆盖孔径(或不用于通过入射光束的孔径部分)。因此该屏幕看起来像是不不存在孔径或孔径部分。在US-A-5241369中说明了具有和屏幕的剩余部分相同的光学特性的可移动的孔径盖。尽管这种盖减小了所述干扰，但在实践中已经表明总是仍然有一些干扰。

本发明的目的是提供一种如上面所述的散射计，借此可以以不同的入射角度将入射光束导引至样品，但是入射光束通过屏幕所经由的所述孔径可以相对较小。

为了实现所述目的，所述光源装置和包括所述孔径的屏幕的至少一部分能够围绕通过所述中心并基本上垂直于入射光束的所述方向的轴相对于样品旋转。通过旋转屏幕或屏幕的一部分，入射光束通过屏幕所经由的孔径将移动。因此，可以以不同的角度将入射光束导引至样品，从而使用屏幕中的相同的孔径。因此不需要为了朝向样品传输入射光束的另外的孔径或更大的孔径。

当关于样品移动(旋转)屏幕时，屏幕的不同部分用于接收散射光强度图案。因此，屏幕必须比所要接收的图像更大。如果散射光强度图案的图像在样品周围(上方)的整个半球上延伸，则屏幕应该在球面的一部分上延伸，所述部分大于半球。

在一个优选实施例中，球面的被用作屏幕的所述部分基本上是半球，因此整个屏幕大于半球。因此屏幕能够关于样品旋转，同时在这种旋转过程中，屏幕的基本上半球形的部分保持可用作屏幕。借此，由于屏幕中孔径的运动，入射光束能够以不同的入射角度击中样品的表面，入射光束通过所述孔径接近样品。

优选地，屏幕的一部分能够旋转，并且该部分由一个边缘至少部分地定界(border)，该边缘形成垂直于所述轴的平面中的圆的至少主要部分，并且所述圆的中心在所述轴上。因此，屏幕被划分成一起形成球面的一部分的两部分。所述两部分在位于圆的所述部分之上的接缝(seam)上彼此接触，所述圆位于平行于矢状平面的平面中。所述两个部分中的一个被固定，并且另一部分能够旋转，同时所述两个部分一起形成球面屏幕。

在一个优选实施例中，屏幕的旋转部分在样品之上形成比屏幕的固定部分更大的半球部分，以使矢状平面与屏幕的所述旋转部分相交。在该矢状平面中定位样品以及用于通过入射光束的孔径。优选地，在球面屏幕半径的5％和25％之间的横向距离处定位包括所述圆的所述平面(也就是所述接缝位于其中的平面)。

优选地，所述屏幕具有孔径，摄影机经由该孔径可以通过位于样品附近的镜子观测到屏幕或屏幕的一部分。在一个优选实施例中，所述镜子基本上是平面镜，并且所述孔径存在于屏幕的旋转部分中。可以在样品附近的固定位置中安装所述镜子，以使摄影机保持被导向屏幕的所述部分，其中近角度散射光被投影于屏幕之上。借此光源装置和摄影机都随着屏幕的旋转部分旋转，以使其每一个能够通过孔径与球面屏幕的内部联系，所述孔径都存在于屏幕的旋转部分中。

在另一优选实施例或在上面所述的实施例中，存在位于样品附近的凸面镜，从而孔径存在于关于样品具有固定位置的屏幕的部分中。通过所述孔径将摄影机导向所述凸面镜，从而可以观测整个半球屏幕。实际上，可以存在两个摄影机，第一摄影机记录近角度散射光图像，而第二摄影机记录被投影于半球屏幕或其主要部分之上的散射光强度图案。

本发明还涉及一种用于借助散射计观测样品表面的方法，借此通过光源装置生成入射光束，并借此在待分析的样品的方向上以不同的入射角度导引所述入射光束，其中一个凹面屏幕接收入射光束的反射，所述屏幕具有基本上是球面的一部分的形状，样品的位置在它的中心处，所述屏幕具有孔径，入射光束朝向所述样品通过该孔径，从而所述光源装置和包括所述孔径的屏幕的至少一部分围绕通过所述中心并基本上垂直于入射光束的所述方向的轴相对于样品旋转。

现在通过散射计的实施例的说明来解释本发明，其中参照附图，

附图中：

图1是垂直平面中的横截面图；

图2是另一垂直平面中的横截面图；

图3是透视图；

图4是散射计的正视图；

图5是散射计的侧视图；以及

图6示出了引导组件

附图仅是实施例的示意性表示。为了说明工作原理，仅示意性地示出了散射计的一些部件，其它部件则没有示出。

依据图1，散射计包括由两部分1、2组成的屏幕。所述两部分1、2一起形成球面，并且该球面的凹的内表面的上部(上半球)是在其上投影散射光强度图案的屏幕。球面的右部1在小于半球的范围上延伸，并且具有固定位置。左部2在大于半球的范围上延伸，并且它能够围绕位于附图的平面中的轴3旋转。

球面1、2内部存在基板4。基板4具有固定位置，并且它附着到球面的固定部分1。具有待分析的表面的样品5附着到基板上，以使其位于球面1、2的中心，从而它的表面与旋转轴3重合。在样品5附近的基板4上安装平面镜6以及凸面镜7。

光源装置11附着到屏幕的旋转部分2的后部。光源装置11生成入射光束8，所述光束通过屏幕2中的孔径9被导引至样品5。入射光束8与矢状平面重合，所述平面被定位成与图1的平面垂直，并且以虚线10表示所述平面。

第一摄影机12附着到屏幕的固定部分1的后部。如通过条纹线14示出的那样，第一摄影机12被通过屏幕的部分1中的孔径13导向凸面镜7。由于镜子7是凸面的，第一摄影机12能够观测和记录在上半球上延伸的整个屏幕。

第二摄影机15附着到屏幕的旋转部分2的后部。如通过条纹线16示出的那样，第二摄影机15被通过屏幕的部分2中的孔径18导向平面镜6。如通过条纹线17示出的那样，以这种位置固定镜子6：第二摄影机观测矢状平面10附近的屏幕的一部分。

由边缘20、21限制球面的两部分1、2中的每一个，每一个边缘形成具有相同直径的圆。彼此接近地定位两个边缘20、21，使得由两个边缘20、21形成的“接缝”不干扰屏幕上的图像。在图1中，两个边缘20、21被间隔开，但是实际上它们将接触或几乎彼此接触，使得在屏幕上所述接缝几乎是不可见的。

在图1中，光源装置11和第二摄影机15都位于上半球的顶部，以清楚地示出它们。然而，如图2、3和5所示，实际上所述两个元件11、15具有另一种位置。

图2示意性示出了散射计的横截面图，其中矢状平面10(见图1)是附图的平面。旋转屏幕的旋转部分2到一个位置，在该位置中入射光束8以特定角度击中样品5的表面。入射光束8的反射包括近角度散射光和大角度散射光。近角度散射光形成反射射束19，而大角度散射光则投影在由上半球的内表面形成的整个屏幕或屏幕的主要部分之上。通过两个摄影机12、15观测和记录两种反射，即近角度散射光和大角度散射光。

当大角度散射光投影于由屏幕的两个部分1、2的上半球形成的屏幕上时，第一摄影机12记录大角度散射光。从而将摄影机12导向凸面镜7(图1)。由于摄影机12和镜子7都具有固定位置，所以连同屏幕的部分1，通过摄影机12总是可以观测到上半球。

通过经平面镜6观测屏幕，第二摄影机15记录由屏幕上的近角度散射光形成的图像。平面镜6在基板4上具有固定位置，并且第二摄影机15附着到屏幕的旋转部分2。由于光源装置11也附着到屏幕的旋转部分2，它们将与第二摄影机15一起移动，并因此第二摄影机15在屏幕的旋转部分2的每一位置处将被自动地导向近角度散射光，正如从图2可以明显看出的那样。

图3是散射计的所说明的实施例的示意性透视图，其中屏幕的部分1、2被彼此分开。光源装置11和第二摄影机15附着到屏幕的旋转部分2。在该旋转部分2中，以条纹线23示出与矢状平面的相交，并且以箭头24示出旋转。在散射计的操作位置中，旋转部分2的圆形边缘21接近固定位置1的圆形边缘20，从而获得几乎不间断的屏幕。

图3进一步示出了屏幕的固定部分1和附着在其上的第一摄影机12。孔径13允许第一摄影机12被导向基板4上的凸面镜7。基板4附着到屏幕的固定部分1，并因此也在固定位置中。样品5和平面镜6也存在于基板4上。

图4是在操作位置中的散射计的视图，其中正像图1中那样，在上半球的顶部示出光源装置11和第二摄影机15，以清楚地示出它们。如图4所示，在固定的机架中安装屏幕的固定部分1。屏幕的旋转部分2连接至铰接机架26，其中可以旋转铰接机架26和旋转部分2。以条纹线23示出矢状平面。

图5也是在操作位置中散射计的视图，相比图4，图5是从左侧看的。正像图2和3中那样，在屏幕的旋转部分2上的它们的正确位置中示出光源装置11和第二摄影机15。通过两个铰链27将铰接机架26附着到固定机架25。如图5所示，在操作位置中，通过锁定装置(在图中未示出)将固定机架25和铰接机架26锁定在一起。铰接机架承载旋转环28，所述环28附着到屏幕的旋转部分2。通过在图5中示为圆的三个引导组件29在铰接机架26中支撑旋转环28。

图6更详细地示意性地示出了引导组件29。固定机架25附着到屏幕的固定部分1。铰接机架26通过铰链27与固定机架25连接。屏幕的旋转部分2附着到环28，所述环28能够在铰接机架26中旋转。通过三个引导组件29(见图5)来引导环28的旋转运动，每一引导组件包括两个引导轮30。如图6所示，引导轮30附着到铰接机架26和接合环28。

显而易见，基于屏幕的部分2的旋转位置，在操作位置中，入射光束可以以不同角度击中样品5的表面。因此，散射光将把一个光强度图案投影于由屏幕的相邻部分1和2的上半球形成的屏幕之上。第一摄影机12可以通过凸面镜7记录所述图案。第二摄影机15可以通过平面镜6记录近角度散射光。

可将屏幕中的三个孔径9、13、18保持为较小的，并且由于屏幕的部分2地旋转，不需要更大的或更多的孔径来允许对不同角度的使用，其中入射光束以所述角度击中样品5的表面。

散射计的所说明的各实施例仅仅是例子；大量其它实施例是可能的。

Claims (8)

1、一种散射计，其包括用于在待分析的样品的方向上以不同的角度提供入射光束的光源装置和用于接收入射光束的反射的凹面屏幕，所述屏幕具有基本上为球面的一部分的形状，样品的位置在它的中心处，所述屏幕具有一个孔径，入射光束朝向所述样品通过该孔径，其特征在于，所述光源装置和包括所述孔径的屏幕的至少一部分能够围绕一个通过所述中心并基本上垂直于入射射束的所述方向的轴相对于所述样品旋转。

2、如权利要求1所述的散射计，其特征在于，球面的所述部分基本上是半球。

3、如前述权利要求中的任一权利要求所述的散射计，其特征在于，屏幕的一部分能够旋转，并且所述部分由一个边缘至少部分地定界，该边缘形成垂直于所述轴的平面中的一个圆的至少主要部分，所述圆的中心在所述轴上。

4、如权利要求3所述的散射计，其特征在于，在球面屏幕半径的5％和25％之间的横向距离处定位所述平面。

5、如前述权利要求中的任一权利要求所述的散射计，其特征在于，所述屏幕具有一个孔径，摄影机经由该孔径可以通过位于样品附近的镜子观测到屏幕或屏幕的一部分。

6、如权利要求5所述的散射计，其特征在于，所述镜子基本上是平面镜，并且所述孔径存在于能够相对于样品旋转的屏幕的所述至少一部分中。

7、如权利要求5所述的散射计，其特征在于，所述镜子是凸面镜，并且所述孔径存在于关于样品具有固定位置的屏幕的一部分中。

8、一种用于借助散射计观测一个表面的方法，其中通过光源装置生成入射光束并且其中在待分析的样品的方向上以不同的入射角度导引所述入射光束，其中一个凹面屏幕接收入射光束的反射，所述屏幕具有基本上是球面的一部分的形状，样品的位置在它的中心处，所述屏幕具有孔径，入射光束朝向所述样品通过该孔径，其特征在于，所述光源装置和包括所述孔径的屏幕的至少一部分围绕一个通过所述中心并基本上垂直于入射光束的所述方向的轴相对于样品旋转。

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