TW202235814A - 探測反射光變化的裝置、方法及膜厚測量裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明提出了一種探測反射光變化的裝置，包括至少一探測光源，用於產生入射光束；至少一光瞳分割系統，用於將入射光束場強進行分割使其在光瞳分割系統第一表面形成為第一場強分佈；調整通過准直光學元件後的反射光束使其在光瞳分割系統第二表面形成為第四場強分佈；至少一光路准直系統，用於將通過光瞳分割系統後的入射光束聚焦至待測體表面形成為第二場強分佈；接收自身視場範圍內准直反射光束於光瞳分割器的第一表面形成為第三場強分佈。按照本發明的裝置及方法，在入射光路上設置瞳面分割，進一步對入射光和反射光使用同一光路器件，通過調整入射探測光光束的場強分佈或透鏡組視場範圍，同樣可以調製目標出射探測光光斑的場強分佈，提高探測器信噪比。
Description
本發明屬於聲光量測系統，主要用於檢測金屬膜、介質膜的測量，具體來說，涉及一種探測反射光變化的裝置及方法。
目前現有技術中的聲光量測主要基於如下：短脈衝鐳射照射在膜樣品表面，膜樣品吸收光子產生熱彈性變形，表面形成形變區；熱彈性變形產生聲波在固體表面及內部傳播；縱向聲波傳播到介面（基底或膜與膜的交界）處產生第一次回聲信號；第一次回聲信號到達上表面，使形變形貌進一步發生變化；回聲信號碰到上表面後又回彈，回彈碰到介面後產生第二次回聲信號；第二次回聲信號到達上表面，使鼓包形貌再次發生變化，如圖1中的設計意圖中所示，當然回聲信號也可能包括三次以上。通過光探測器獲取由形貌變化導致的入射光束的反射率變化，從而可獲取兩次反射率變化時間間隔，由此可計算得到膜樣品厚度值。
而在具體的測量裝置設置上，如圖2中所示，泵浦光源1入射到樣品2的表面產生形變區4，將入射探測光5a打在形變區4上，由於回聲回傳時膜層表面的形變區形貌會發生變化，由於會導致形變區在回聲信號的到達之時所產生的進一步形變會對反射探測光5b產生影響，這種影響配合接收端的光學元件的使用，可能是幅度或者相位等各種影響，一般來說，探測模組6獲取形貌變化導致的光反射幅度的變化，從而可獲取的光信號幅度變化的時間間隔，通過膜厚計算公式得到膜厚值，如圖2和圖3的示意圖中所示，由此，探測反射探測光5b的變化對提高光聲探測裝置精度的影響尤其重要。
如圖4中所示，為現有技術中的一種分析反射探測光的技術，經過形變區4區域反射的探測光5b會被第一反射鏡6c反射一半尺寸的圓形光斑（反射鏡6c的位置設置尤其重要，其對反射光的反射光斑場強有篩選作用），這部分會繼續被第二反射鏡6d反射至第二探測器6a中，而未被第一反射鏡6c反射的另一半尺寸的圓形光斑會直接進入到第一探測器6b中。其中第一反射鏡6c是被電機調整到目標位置，在無激發形變時探測器6a與6b接收到的光具有確定的光強比例，如1：1，但是當形變4區域發生激發形變產生回聲震盪，反射探測光5b會發生時間相關性的微小角度變化，此時由於第一反射鏡6c對光斑場強的分割作用不再是存在設定比例的關係，由於這種微小的角度變化導致此時探測器6a和6b的光強讀數發生變化，通過多次實驗可模擬計算反射探測光5b角度的變化與兩者光強讀數變化的影響，進而可以計算反射探測光5b角度的變化和光強的變化之間的關係，通過測得多次回聲信號時間差便可計算出膜厚值。
但是，在上述的技術方案中，存在如下的問題：第一方面的問題是所應用光學系統的第一反射鏡6c位置調整精度要求極高，並且對其穩定性也要求極高，該光學元件承擔了對光線光斑場強分光的作用，對光路准直性和穩定性的要求較高，光路組裝較為困難；第二方面是體現在光路的複雜性上，分別需要組裝第一反射鏡6c和第二反射鏡6d，並且為滿足一定角度內入射的光線都能夠被有效反射折射，兩者之間的平行准直和場強交錯也需要被精確調整和設計，同時在檢測出射光端還需要2個探測器，光學元件的使用增多也會導致成本增加；協力廠商面體現在探測精度上，由於對光路採用了分光，使得透射反射光進一步損耗，在反射探測光由於形變區造成的入射角度偏差所造成的光斑能量分解的變化率更難被檢測，由此探測信噪比低，約為百萬分之一，並且對入射光束腰發散角要求極高。
為解決現有技術中存在的上述問題，本發明提出了一種探測反射光變化的裝置及方法，在探測光的入射光束上設置瞳面，對瞳面進行分割，提高探測器信噪比，結構簡單，易於工程實現，減少探測器數量，降低成本。
為解決上述技術問題，本發明首先提出了一種探測反射光變化的裝置，其特徵在於，所述裝置包括：
至少一探測光源，用於產生小角度斜入射的入射光束，所述小角度為0-30度範圍內的入射角；
至少一光瞳分割系統，設置於入射光束和反射光束傳輸路徑上，包括第一表面和第二表面，用於將所述入射光束場強進行分割使其在所述光瞳分割系統第一表面形成為第一場強分佈；還用於對通過准直光學元件後的反射光束進行分割使其在所述光瞳分割系統第二表面形成為第四場強分佈；
至少一光路准直系統，設置於靠近所述光瞳分割系統的所述第一表面的一側，用於將通過所述光瞳分割系統後的入射光束聚焦至待測體表面形成為第二場強分佈；還用於接收自身視場範圍內准直反射光束於所述光瞳分割系統的第一表面形成為第三場強分佈；
至少一探測器，用於探測通過所述光瞳分割系統後的反射光束以獲取反射光束的光強；
解析裝置，用於對所述反射光束時間相關性光強變化資訊進行解析。
進一步地，所述第三場強分佈產生的圖案特徵與所述第一場強分佈產生的圖案特徵相近。
進一步地，所述光瞳分割系統包括位於同一水平面的第一光瞳分割器和第二光瞳分割器，所述第一光瞳分割器用於將所述入射光束進行場強分割以形成第一場強分佈的入射光束；所述第二光瞳分割器用於將第三場強分佈的反射光束進行場強分割以形成第四場強分佈的反射光束，所述第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔徑函數。
進一步地，所述第一光瞳分割器及所述第二光瞳分割器為同一光瞳分割器。
進一步地，所述光路准直系統包括位於同一水平面的第一準直光學元件和第二准直光學元件，所述第一準直光學元件用於准直匯聚具有第二場強分佈的入射光束照射於待測體表面；所述第二准直光學元件用於接收自身視場範圍內第二場強分佈的反射光束並准直以形成具有第三場強分佈的反射光束照射於光瞳分割系統第一表面。
進一步地，所述第一準直光學元件及所述第二准直光學元件為同一準直光學元件。
進一步地，所述光瞳分割系統設置有多個不同類型通光部的結構，所述不同類型通光部具有光通量的差別，以使得所述入射光束或反射光束的場強被所述多個不同類型通光部的結構擾動分割。
進一步地，所述光瞳分割系統設置有多個通光部和多個約束通光部的結構，以使得所述入射光束或反射光束的場強被所述多個通光部和多個約束通光部的結構擾動分割。
進一步地，其特徵在於，所述光瞳分割系統對所述入射光束場強進行分割的區域與對所述反射光束進行分割的區域為軸對稱結構。
本發明還公開了一種探測反射光變化的方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟：
提供一入射光束，在所述入射光束傳輸路徑上側依次設置至少一光瞳分割系統和至少一光路准直系統，所述入射光束以0-30度範圍內的小角度斜入射至所述光瞳分割系統（7）；
使用所述光瞳分割系統將所述入射光束場強進行分割使其在所述光瞳分割系統第一表面形成為第一場強分佈；再通過所述光路准直系統將所述入射光束聚焦至待測體（4）表面形成為第二場強分佈；
使用所述光路准直系統接收自身視場範圍內准直反射光束於所述光瞳分割系統的第一表面形成為第三場強分佈；再通過所述光瞳分割系統調整所述反射光束（5b）使其在所述光瞳分割系統第二表面形成為第四場強分佈；
解析所述入射光束通過所述待測體反射後的反射光束時間相關性光強變化獲得反射光束變化資訊。
進一步地，所述第三場強分佈產生的圖案特徵與所述第一場強分佈產生的圖案特徵相近。
進一步地，所述光瞳分割系統（7）設置有多個不同類型通光部的結構，所述不同類型通光部具有光通量的差別，以使得所述入射光束（5a）或反射光束（5b）的場強被所述多個不同類型通光部的結構擾動分割。
本發明還公開了一種膜厚測量裝置，其特徵在於，包括：
猝發單元，在一個時間點從待測膜的上表面向下底面猝發多個激勵源，以使所述待測膜上表面產生至少一形變區域；
提供如上所述的探測反射光變化的裝置，獲取所述形變區域對應反射光束的信號強度峰值變化資訊；
計算單元，根據峰值對應的時間間隔計算出待測膜的厚度。
相對於背景技術而言，本發明所涉及的技術方案，在技術效果上第一方面由雙光束修改為單光束，不再採用雙光束的檢測方法，能夠顯著減小光學檢測系統的複雜性；第二方面採用了光瞳分割方案，該方案通過光學系統的分析獲得提高信號變化率檢測的重要方面，入射場強、光瞳分割、光學准直聚焦元件的場強等相關參數，從而設計優化本檢測方案，能夠顯著提高反射光的變化檢測率。
應理解，以下為本實施例的不同特徵的許多不同的實施例或例子。以下描述的構件與安排的特定例子，以簡化說明實施例。當然，這些僅僅是例子而不是用以限制具體的實施方式。按照本發明的其中一種實施方式，本發明首先提出了一種聲光探測中獲得反射光探測角度變化的裝置與方法，能夠顯著提高探測光角度變化的測量精度，顯著提高測量信噪比。
按照本發明實現的探測反射光變化的裝置及方法，入射光束5a以一小夾角入射一光瞳分割系統7，其中該夾角為入射光束5a的入射方向與薄膜樣品2表面3垂直方向的夾角，該夾角大小可分佈於0-30度範圍內，之後被光路准直系統9匯聚准直後入射樣品由於泵浦光源1所造成的樣品2表面3中所形成的形變區4上，發生反射後的反射光束5b通過同一光路准直系統9後經過同一光瞳分割系統7之後達到探測器10，從而展開探測光的相關分析獲得樣品2的測量結果。
進一步地，入射光束5a以一小夾角入射一光瞳分割系統7，並在光瞳分割系統7下表面形成為第一場強分佈，設置於光瞳分割系統7光路後的透鏡組9再將入射光束5a匯聚至形變區4表面形成為第二場強分佈，該入射光束5a經形變區4表面發生反射，同一光路准直系統9接收自身視場範圍內所能接收的准直反射光束5b於同一光瞳分割系統7下表面，並形成為第三場強分佈，其中第三場強分佈特徵接近第一場強分佈特徵；光瞳分割器7接受反射光束5b後，基於第三場強分佈在光瞳分割系統7上表面形成為第四場強分佈並反射至探測器10，探測器10用於探測經過光瞳分割系統7後的反射光束5b，以獲取反射光束5b的光強。由於泵浦光源1在樣品2形成回聲，該回聲傳播至形變區4，對具有第二場強分佈的入射光束5a形成幹擾形成反射光束5b，由此經過光瞳分割系統7後的反射光束5b也會受回聲幹擾，故探測器10可探測到回聲引起的時間相關性光強變化；解析裝置，再對該反射光束5b時間相關性光強變化資訊進行解析，獲得反射光束信號變化。
進一步地，光瞳分割系統7包括位於同一水平面的第一光瞳分割器和第二光瞳分割器，第一光瞳分割器用於將所述入射光束5a進行場強分割以形成第一場強分佈的入射光束5a；所述第二光瞳分割器用於將第三場強分佈的反射光束5b進行場強分割以形成第四場強分佈的反射光束5b，所述第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔徑函數。更進一步地，如圖5所示，第一光瞳分割器及第二光瞳分割器為同一光瞳分割器7。
進一步地，光路准直系統9包括位於同一水平面的第一透鏡組和第二透鏡組，第一透鏡組用於准直匯聚具有第二場強分佈的入射光束5a照射於待測體4表面；第二透鏡組用於接收自身視場範圍內第二場強分佈的反射光束5b並准直以形成具有第三場強分佈的反射光束5b照射於光瞳分割系統7第一表面。更進一步地，如圖5所示，第一透鏡組及第二透鏡組為同一透鏡組9。對於上述的整體實現反射光角度測量的光學系統，其中所涉及的光學元器件中泵浦光源1也稱激發光源，除Nd：YAG雷射器之外的光源可用於光學激發薄膜，在具體的實施方式中，雷射器也可以包括Nd：YLF，離子（例如氬和氪），Ti：藍寶石，二極體，CO2，鈥，准分子，染料和金屬蒸氣雷射器等，上述泵浦光源1的作用是在樣品表面產生形變區4，其波長、所產生雷射脈衝能源、週期以及光束腰部的參數，可以根據樣品2的薄膜的特性，以及其鐳射本身的特性來進行設計。在其它的一些研究中，通常通過在泵浦光源1之後設置衍射元件，將泵浦光源1進行轉化為帶有衍射圖案的光源入射樣品2的表面3，在這種基礎之上，與聚焦的光斑所產生的鼓包不同，會產生有與衍射圖案對應的形變，所形成的聲光效應的變化會更複雜，也會更容易受到幹擾而產生變化。
另外，對於本發明所涉及方案的具體實施方式中，泵浦光源1的類型，和是否與探測入射光束5a的入射角度一致，並不做嚴格的限定，在整個光學檢測系統中，通常也通過同時採集泵浦光的脈衝來作為泵浦光與探測入射光束5a泵浦與檢測觸發的參考信號源。
類似地，以上與泵浦光源1類似的除了二極體雷射器之外的光源可以選作探測雷射器，可用於產生入射光束5a的脈衝光源包括Q開關Nd：YAG，Nd：YLF，Ti：藍寶石，二極體，CO2，鈥，准分子，染料和金屬蒸氣雷射器等。而本發明的設計方案中所涉及的入射探測光5a對波長範圍也具有較強的適應性，並不做嚴格的限定，但是對入射光束5a的准直性建議要求較高，使之與光學系統中的其它光學元件的場強權衡配合設計。
作為本發明的重要改進之一，為在探測光路中使用光瞳分割系統7，其中，上述光瞳分割方案中，首先需要採用光瞳分割系統7為相對於入射探測光束5a的場強設置有多個不同類型通光部的結構，該不同類型通光部具有光通量的差別，以使得入射光束5a或反射光束5b的場強被多個不同類型通光部的結構擾動分割。進一步地，光瞳分割器7具有至少兩個通光部、限制光通光部結構的光學元件，其通光部可以為一維結構（x橫向分割或y縱向分割或斜向分割），或二維結構（任何形狀的網格式分割或任何圖案式分割），作為二維結構時，又可為均勻分割或非均勻分割，都具有同原理提高信噪比作用，其中上述通光部和限制光通光部優選為在相對於入射光束5a光斑方向上具有盡可能多的分割結構為佳。
如圖6中所示，為按照本發明的圖5所示的一種光瞳分割器的實施方式，為具有通光部和限制通光部為條狀的結構，整體的光瞳分割器7為直徑為D的圓盤狀結構，其中限制光通量的部分為不透光的材料，其中本實施例中週期條狀結構為通光寬度為a,限制光通量的寬度為b,整個週期結構的寬度為d，入射探測光5a經過該光瞳分割器7之後，對該入射光束5a場強進行分割，經過透鏡組9之後光瞳分割器7成像匯聚於形變區4上，被薄膜結構光反射，再經透鏡組9和光瞳分割器7透射後最終被探測器10接收，反射光束5b會受到形變區4的回聲擾動而發生變化，故探測器10可探測到回聲引起的時間相關性光強變化，即反射光束5b信號變化。更進一步地，這種變化第一方面會體現在光闌發生一定程度的光強變化，第二方面可能會體現在光闌的像受到擾動後在探測器10成像部位的位置偏差，光闌的條狀像會在探測器的成像位置上發生微小的位置偏差。最終被解析之後光強變化和成像位置偏差所形成的信號變化相較於圖8中所示的圓形光斑的偏差，會攜帶關於擾動的更加多維的資訊，從而獲得更加精確的檢測結果。
進一步優選地，該反射光束5b會經過光瞳分割器7的另外一部分，按照圖5所示的的實施方式，光瞳分割器7為一整體器件，並且為左右對稱，由於透鏡組9在光路系統中也優選為相同的相互對稱的光學元件，這部分的入射光光闌像恰好與出射光的光闌的通光部與限制光部重合，或者發生些微的遮擋，而在光聲擾動產生信號的變化之後，這種重合或者輕微的遮擋信號會發生變化，分析探測器10光強變化資訊可獲得更多資訊。
當然，在以上的情況中，光瞳分割器7為一整體器件，可以顯著節省光學系統的元件，簡化光路，除了優選為左右對稱的結構，上述光學元件可為不對稱的結構，此時，入射光光闌像恰好與出射光的光闌的通光部與限制光部交叉，形成具有二維資訊的圖案成像，這種不對稱的結構可能會在器件製備的時候增加工藝困難。
進一步地，其中光瞳分割器7與透鏡組9的位置選擇，其中在光學系統搭建調試過程中，以光瞳分割器7的清晰成像能照射於形變區4的表面為優選，不在焦點的模糊成像會顯著增加成像圖案分析的難度。
總之，上述光瞳分割方案中，首先需要採用光瞳分割器7為具有至少兩個通光孔、限制光束通量的光學元件，其可以為一維光柵（x橫向光柵分割，y縱向光柵分割，斜向分割），或二維光柵（任何形狀的網格式分割或任何圖案式分割），又可為均勻光柵分割或非均勻光柵分割，都具有同原理提高信噪比作用。利用一組光學透鏡組，一個光瞳分割器，可大大縮小空間尺寸需求和成本，如圖7中的，示出分割後的光闌圖案比較的效果示意圖，在光路系統作用下光瞳分割器8的像會覆蓋到其本身下表面上。當反泵浦光源1產生鼓包，回聲引起反射探測光5b角度變化，則光瞳分割器7左半側的像會和右半側的光瞳分割器7右半側產生錯位，進而得到進入到探測器10的光強會發生時間相關性的變化，且信噪比遠高於現有方案。
作為本發明的重要改進之一，光瞳分割系統7對入射光束5a場強進行分割的區域與對反射光束5b進行分割的區域為軸對稱結構。當光瞳分割系統7為同一水平面的第一光瞳分割器和第二光瞳分割器，則第一光瞳分割器和第二光瞳分割器相對於入射光束5a和反射光束5b呈軸對稱。按照圖5所示的的實施方式，光瞳分割器7為一整體器件，則入瞳的入射光路和出瞳的出射光路為軸對稱。
作為本發明的重要改進之一，入射光束5a帶有小角度入射光瞳分割系統7，其中上述角度優選為與垂直於薄膜平面的方向成約0°~30°，太大角度的成像不利於場強範圍的控制，太小的入射角度不利於區分入射與反射光，尤其是在本發明優選實施例中光瞳分割器7和透鏡組9為整體元件的情況之下，具體如圖5中所示。進一步地，該角度是通過探測反射光變化的裝置中各元件的光學參數及距離計算獲得。
作為本發明的重要改進之一，為提高信噪比，理論推導調整入射探測光光束的場強分佈或鏡組視野範圍，同樣可以調製目標出射探測光光斑的場強分佈，提高探測器信噪比。按照圖5所示的的實施方式，入射光束5a經過光瞳分割器7後會在形變區4表面產生反射光束5b，其過程為傅裡葉轉換，即光瞳分割器7上表面入射光束5a的場強分佈為
，隨後入射光束5a在形變區4表面的場強變換為第二場強分佈
，即
調製光瞳分割器7的孔徑函數
，可以得到入射光束5a在形變區4表面的場強分佈為
，透鏡組9將視野範圍內的部分場強分佈
的反射光束5b接收，由於對稱光路系統，反射至光瞳分割器7下表面反射光束5b場強分佈為第三場強分佈
大小會近似為入射光束5a經過光瞳分割器7下表面的第一場強分佈
。則通過調製光瞳分割器7的孔徑函數
可以實現得到第四場強分佈
的反射光束5b。而第四場強分佈
的反射光束5b和光瞳分割器7的孔徑函數
再發生疊加錯位可得到高信噪比信號變化。
更進一步地，入射光束5a在光瞳分割器7上表面原始場強分佈為
，經過孔徑函數
，在光瞳分割器7下表面形成第一場強分佈
為
入射光束5a到達形變區4表面第二場強分佈為：
入射光束5a到達形變區4表面場強分佈為
，位於透鏡組9視野範圍內反射光5b准直至光瞳分割器7下表面形成第三場強分佈為
即
反射光束5b再經過光瞳分割器7，基於孔徑函數
形成為第四場強分佈
,即
反射光束5b在光瞳分割器7上表面場強分佈為
，公式推導結論：最終信號
與
、
、透鏡組9視野有明確物理關係, 目標為使
最大化。其中
為回聲信號產生的反射探測光5b角度變化,s為探測器接收面積，由於
與
、
、透鏡組9視場有關係，而其中光瞳分割器7的孔徑函數
更易於調製。
如圖6所示，對於本發明的光瞳分割方案來說，在使用圖5所示的光瞳分割器7之後，探測器11獲取的最終信號為明暗交替的條紋圖像，則光瞳分割後信號變化率為
= 各明條紋變化寬度/各明條紋原有寬度 =
，
如圖7所示，對於現有技術中不進行光瞳分割的方案來說，信號變化率為
= 圓形光斑錯位面積 /圓形光斑面積 =
，
其中：
或者
； 由於通常場強分佈為高斯分佈，結果將會更明顯地看到
；因此，使用本發明的光瞳分割方案探測器所探測的信號跳動會較為明顯，而不做分割情況下探測器所探測的信號跳動幅度很小，不易於識別。
另外，上述光瞳分割器7的主要核心在於光闌孔徑大於等於2以上分分割處理，光瞳分割器7的具體光學參數和工藝一致性問題，可依據實際應用情況優化設計解決，其製作材料可依據光學工藝條件來製備，並且考慮到光學系統中的反射效應等因素，進一步優選在光瞳分割器7表面或者是背面進行塗膜減小光闌反射對入射光束5a的影響等，或者考慮到在光闌邊緣處可能產生的衍射圖樣設計濾除元件，保持一級條紋的設計等都可依據上述核心來進行進一步設計。同時光闌本身可進行可調節瞳孔大小方式的設計，以方便進行多次測量減小光學系統硬體本身引起的對測量結果的擾動和誤差，另外考慮到光學系統穩定性的影響，上述光闌的固定、調整設備可依據情況進行設計。
透鏡組9為光學元件組合系統，完成對光路的准直，其能達到相應的光學功能即可，對其具體設置並不做嚴格限定。另外在光路上設置對光強的增益元件以彌補光闌帶來的能量損耗也可依據具體情況展開設計。
可以用本發明所涉及的方法和裝置監測的樣品可以是塊狀的（例如，諸如金屬或半導體的固體），薄膜（例如，聚合物，半導體或金屬膜），流體，表面或表現出聲光時間擾動的效應。典型的樣品包括半導體工業中使用的金屬膜，例如鋁，鎢，鈦，鈦：鎢，鈦或氧化物薄膜等。可以在這些樣品中確定的材料特性包括機械，物理（例如，厚度），彈性，（深度依賴和/或各向異性）擴散，基於黏附，熱（例如，熱擴散）和與之相關的黏性特性。如圖7中所示，當光闌分割所造成的圖像分割越豐富，所能提取的資訊維度越豐富，例如在光闌像的位置變化的移動可檢出反射光角度的變化，而其中的像的畸變或者形狀的改變，可能意味著形變區4的光學特性造成的影響，當分割的圖案越多，所能提取的共性特徵和特定特徵也越多，使得按照本發明使用的方案在後續的成像光的電腦分析中獲得更高的分析精度。
按照本發明的另一種實施方式，提出了一種探測反射光變化的方法，該方法包括：
調整照射於待測體4上的入射光束5a場強分佈，使得所述入射光束5a成為場強分佈為具有多個特徵強度峰值分佈的光束；
解析所述入射光5a通過待測體4反射後的反射光束5b時間相關性光強變化獲得反射光5變化資訊。
進一步地，調整照射於待測體4上的入射光束5a場強分佈的方法為，在入射光束5a光路後依次設置至少一光瞳分割系統7和光路准直系統9；光瞳分割系統7將入射光束5a場強進行分割使其在光瞳分割系統7下表面形成為第一場強分佈；光路准直系統9將通過光瞳分割系統7後的入射光束5a聚焦至待測體4表面形成為第二場強分佈；並接收自身視場範圍內准直反射光束5b於光瞳分割系統7的第下表面形成為第三場強分佈；光瞳分割系統7再調整通過光路准直系統9後的反射光束5b使其在光瞳分割系統7上表面形成為第四場強分佈；其中，所述第三場強分佈產生的圖案特徵與所述第一場強分佈產生的圖案特徵相近。該方法的實現原理、技術效果與上述裝置類似，此處不再贅述。
按照本發明的另一種實施方式，提出了一種膜厚測量裝置，包括：
猝發單元1，在一個時間點從待測膜2的上表面3a向下底面猝發多個激勵源，以使待測膜2上表面產生至少一形變區域；
提供如上所述的探測反射光變化的的裝置，獲取所述形變區域對應反射光束（5b）的信號強度峰值變化資訊；
計算單元，根據峰值對應的時間間隔計算出待測膜2的厚度。該裝置的實現原理、技術效果與上述探測反射光束變化的裝置類似，此處不再贅述。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
1:猝發單元(泵浦光源)
2:待測膜
3a:待測膜上表面
3b:待測膜下底面
4:待測膜形變區
5a:入射光束
5b:反射光束
6:現有聲光測量系統探測模組
6a:第一探測器
6b:第二探測器
6c:第一反射鏡
6d:第二反射鏡
7:光瞳分割系統
9:光路准直系統
10:探測器
[圖1]為現有技術中的聲光測量系統的整體工作原理圖；
[圖2]為按照現有技術中進行聲光測量技術的回聲測量的探測光路結構示意圖；
[圖3]為按照現有技術中的回聲測量的兩次回聲測量時間差的示意圖；
[圖4]為按照現有技術中的聲光測量系統的光學光路結構示意圖；
[圖5]為按照本發明實現的聲光測量裝置的光路結構示意圖；
[圖6]為按照本發明實現的其中一種光瞳分割器具體實施方案的示意圖；
[圖7]為按照本發明實現的一種光瞳分割器成像資訊示意圖；
[圖8]為不產生光瞳分割的光斑與反射角度變化之間對應的示意圖。
1:猝發單元(泵浦光源)
2:待測膜
3a:待測膜上表面
3b:待測膜下底面
4:待測膜形變區
5a:入射光束
5b:反射光束
6:現有聲光測量系統探測模組
6a:第一探測器
6b:第二探測器
6c:第一反射鏡
6d:第二反射鏡
7:光瞳分割系統
9:光路准直系統
10:探測器
Claims (13)
- 一種探測反射光變化的裝置，其中，所述裝置包括： 至少一探測光源，用於產生小角度斜入射的入射光束（5a），所述小角度為0-30度範圍內的入射角； 至少一光瞳分割系統（7），設置於入射光束（5a）和反射光束（5b）傳輸路徑上，包括第一表面和第二表面，用於將所述入射光束（5a）場強進行分割使其在所述光瞳分割系統（7）第一表面形成為第一場強分佈；還用於對通過准直光學元件（9）後的反射光束（5b）進行分割使其在所述光瞳分割系統（7）第二表面形成為第四場強分佈； 至少一光路准直系統（9），設置於靠近所述光瞳分割系統（7）的所述第一表面的一側，用於將通過所述光瞳分割系統（7）後的入射光束（5a）聚焦至待測體（4）表面形成為第二場強分佈；還用於接收自身視場範圍內准直反射光束（5b）於所述光瞳分割系統（7）的第一表面形成為第三場強分佈； 至少一探測器（10），用於探測通過所述光瞳分割系統（7）後的反射光束（5b）以獲取反射光束（5b）的光強； 解析裝置，用於對所述反射光束（5b）時間相關性光強變化資訊進行解析。
- 如請求項1中所述的探測反射光變化的裝置，其中，所述第三場強分佈產生的圖案特徵與所述第一場強分佈產生的圖案特徵相近。
- 如請求項1中所述的探測反射光變化的裝置，其中，所述光瞳分割系統（7）包括位於同一水平面的第一光瞳分割器和第二光瞳分割器，所述第一光瞳分割器用於將所述入射光束（5a）進行場強分割以形成第一場強分佈的入射光束（5a）；所述第二光瞳分割器用於將第三場強分佈的反射光束（5b）進行場強分割以形成第四場強分佈的反射光束（5b），所述第一光瞳分割器和第二光瞳分割器具有相同的孔徑函數。
- 如請求項3中所述的探測反射光變化的裝置，其中，所述第一光瞳分割器及所述第二光瞳分割器為同一光瞳分割器（7）。
- 如請求項1中所述的探測反射光變化的裝置，其中，所述光路准直系統（9）包括位於同一水平面的第一準直光學元件和第二准直光學元件，所述第一準直光學元件用於准直匯聚具有第二場強分佈的入射光束（5a）照射於待測體（4）表面；所述第二准直光學元件用於接收自身視場範圍內第二場強分佈的反射光束（5b）並准直以形成具有第三場強分佈的反射光束（5b）照射於光瞳分割系統（7）第一表面。
- 如請求項5中所述的探測反射光變化的裝置，其中，所述第一準直光學元件及所述第二准直光學元件為同一準直光學元件（9）。
- 如請求項1中所述的探測反射光變化的裝置，其中，所述光瞳分割系統（7）設置有多個不同類型通光部的結構，所述不同類型通光部具有光通量的差別，以使得所述入射光束（5a）或反射光束（5b）的場強被所述多個不同類型通光部的結構擾動分割。
- 如請求項1中所述的探測反射光變化的裝置，其中，所述光瞳分割系統（7）設置有多個通光部和多個約束通光部的結構，以使得所述入射光束（5a）或反射光束（5b）的場強被所述多個通光部和多個約束通光部的結構擾動分割。
- 如請求項1至8中任一項所述的探測反射光變化的裝置，其中，所述光瞳分割系統（7）對所述入射光束（5a）場強進行分割的區域與對所述反射光束（5b）進行分割的區域為軸對稱結構。
- 一種探測反射光變化的方法，其中，該方法包括如下步驟： 提供一入射光束（5a），在所述入射光束（5a）傳輸路徑上側依次設置至少一光瞳分割系統（7）和至少一光路准直系統（9），所述入射光束（5a）以0-30度範圍內的小角度斜入射至所述光瞳分割系統（7）； 使用所述光瞳分割系統（7）將所述入射光束（5a）場強進行分割使其在所述光瞳分割系統（7）第一表面形成為第一場強分佈；再通過所述光路准直系統（9）將所述入射光束（5a）聚焦至待測體（4）表面形成為第二場強分佈； 使用所述光路准直系統（9）接收自身視場範圍內准直反射光束（5b）於所述光瞳分割系統（7）的第一表面形成為第三場強分佈；再通過所述光瞳分割系統（7）調整所述反射光束（5b）使其在所述光瞳分割系統（7）第二表面形成為第四場強分佈；解析所述入射光束（5a）通過所述待測體（4）反射後的反射光束（5b）時間相關性光強變化獲得反射光束（5b）變化資訊。
- 如請求項10中所述的探測反射光變化的裝置，其中，所述第三場強分佈產生的圖案特徵與所述第一場強分佈產生的圖案特徵相近。
- 如請求項11中所述的探測反射光變化的方法，其中，所述光瞳分割系統（7）設置有多個不同類型通光部的結構，所述不同類型通光部具有光通量的差別，以使得所述入射光束（5a）或反射光束（5b）的場強被所述多個不同類型通光部的結構擾動分割。
- 一種膜厚測量裝置，其中，包括： 猝發單元（1），在一個時間點從待測膜（2）的上表面（3a）向下底面（3b）猝發多個激勵源，以使所述待測膜（2）上表面產生至少一形變區域； 提供如權利要求1-11中任一項所述的探測反射光變化的裝置，獲取所述形變區域對應反射光束（5b）的信號強度峰值變化資訊； 計算單元，根據峰值對應的時間間隔計算出待測膜（2）的厚度。
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